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如何形象地说一下 1 焦耳有多大?

发布日期:2023-09-17 来源: 网络 阅读量(

一焦耳等于一牛顿的力作用到任一物体上移动一米距离,请问一焦耳形象起来是多大?最好举个例子?一牛顿用中国的单位理解是多大,或者有什么例子视频可以形象解释一下?谢谢。

力学:

一牛顿重的东西,质量大概100克。就是两个鸡蛋。想象你手里抓着两个鸡蛋从自然下垂举到头顶,那么鸡蛋克服重力的功大概是一焦耳。

热学:

冰的融化热是334焦耳每克。5000到10000片雪花大约重一克,也就是一焦耳的热能融化大约二十多片雪花。

电学:

很多电器上面会标瓦数。瓦的意思是它工作一秒需要的焦耳。一般的LED灯也有几瓦到十几瓦。

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总之焦耳很小很小的('?ω?')

@金汞齐 已经说了力学,热学,电学,那我补充一个食品营养学吧- -

1 焦耳=0.0002389 千卡。

一克生米饭的热量是 3.65 千卡,一粒米的重量算它 0.03 克吧,一粒米就是 0.1095 千卡,已经有 458 焦耳了。有点大。


嗯……我们换个更小点的。

1 克芝麻 5.73 千卡,一粒芝麻的重量算它 0.00364 克,一粒芝麻就是 0.0208 千卡,87.3 焦耳左右。


还是太大了……

还有没有更小点的?

一克白砂糖 3.87 千卡,一粒白砂糖的重量算它 0.000625 克,一粒白砂糖就是 0.0024 千卡,10 焦耳左右。


已经接近了,有没有更小的?

大家在国外有没有见过热狗面包、贝果上面撒的罂粟籽(poppy seeds)?

一克罂粟籽 5.25 千卡,一粒罂粟籽重量算它 0.0003 克[1],一粒罂粟籽就是 0.001575 千卡,一粒罂粟籽的热量在 6.59 焦耳左右!

终于找到相同数量级的了。。。我尽力了。。。


PS: 罂粟籽又名御米,是罂粟的种子,不是毒品,没有任何精神活性,在欧美国家当香料用,一般会撒在各种面包上,非常常见。(跟罂粟壳不一样,罂粟壳是有精神活性的)。2006 年中国曾经合法化过一段时间,由于原料敏感性,后面在 2013 年的时候又被禁了。

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳生于公元1818年,于1840年开始探讨热功当量问题,1853年与开尔文勋爵共同完成能量守恒定律的精确表述。取1853年35岁的焦耳作为基准,根据英国营养基金会(British nutrition foundation)制定的各年龄段营养标准,35岁的英国成年男子每天需要约 11\\,\\mathrm{MJ} 的能量。

因此,呼吸、走动、合成身体需要的物质、思考能量守恒定律等等,这些活动消耗的能量都算进去的话,一个焦耳一天大概要消耗一千一百万焦耳

平摊到一天 86400 秒的话,每秒要消耗 127.3\\,\\mathrm J ,取个整算它 128\\,\\mathrm J ;换句话说,一焦耳的能量大约可以支持一个焦耳的生命活动 \\frac1{128} 。意识都意识不到。

顺便,詹姆斯·瓦特(怎么又是詹姆斯?)生于公元1736年,公元1776年制成改良蒸汽机。根据英国营养基金会的标准,40岁的瓦特与35岁的焦耳在同一营养推荐年龄段,因此前面的数据也可以套用,从而得出以下结论:一个瓦特的全部生命活动,平均功率大约是 128 瓦特

「我的天呐」粒子,迄今为止探测到的最高能宇宙线粒子,能量达51焦耳,相当于94km/h的棒球

en.wikipedia.org/wiki/O
The Oh-My-God particle was the highest-energy cosmic ray detected so far (as of 2020), by the Fly's Eye detector in Dugway Proving Ground, Utah, US, on 15 October 1991.[1][2][3] Its energy was estimated as (3.2±0.9)×1020eV, or 51 J. This is 20 million times more energetic than the highest energy measured in electromagnetic radiation emitted by an extragalactic object[4] and 1020 (100 quintillion) times the photon energy of visible light, equivalent to a 142-gram (5 oz) baseball travelling at about 26 m/s (94 km/h; 58 mph).

很多人从各个学科的角度说了1焦耳是多么的渺小,我来唱个反调,说一说在光学里面1焦耳是多么牛掰吧!

能量这个东西的大小关键看你怎么用。1焦耳的电能从灯泡里面出来的时候你可能都感觉不到,1焦耳热量的食物都不够塞牙缝,可要是激光呢?

图片故事:英国激光武器打飞机。https://www.defensenews.com/global/europe/2019/07/09/uk-shoots-for-new-laser-weapons-against-drones-missiles/

没错,激光!

提到激光你可能想到:激光笔,条形扫码,激光美容,激光纹身,激光手术刀,激光焊接,激光切割,激光微加工,激光武器,激光核聚变。。。

林林总总,但归纳起来无非就是两种:连续激光和脉冲激光。

  • 连续激光,能量持续不间断输出。例如激光笔。
  • 脉冲激光,能量以脉冲形式输出。例如飞秒激光微加工。

连续激光没啥好说的。1W的激光笔代表的意思是,1秒的时间内输出1焦耳的能量。这样的激光打在身上不疼,只要别打眼。

重点要说的是脉冲激光。

脉冲激光是将能量集中在很短的时间间隔内,集中力量干大事!前面提到的“飞秒”就是这个时间间隔的尺度。这个时间间隔叫做脉宽,脉冲宽度。

稍微扯一下时间单位。常见的时间单位比如年,月,日,小时,分钟,秒。这些单位都太长了。说一说秒以下的。

  • 毫秒(ms),千分之一秒。 大脑神经元对外界刺激发出指令大概在一毫秒;僧祗律说“一刹那为一念,二十念为一瞬,二十瞬名一弹指,二十弹指名一罗预,二十罗预名一须臾,一日一夜有三十须臾。一刹那大概是18毫秒;一眨眼大概是300毫秒。
  • 微秒( \\mu s ),千分之一毫秒。谬子(muon)的平均寿命。
  • 纳秒(ns),千分之一微秒。光传播30厘米用的时间。
  • 皮秒(ps),千分之一纳秒。底夸克的平均寿命;光传播0.3毫米用的时间;化学反应的大概弛豫时间。分子转动周期。
  • 飞秒(fs),千分之一皮秒。超快脉冲激光的脉宽;可见光的光周期;分子振动周期。
  • 阿秒(as),千分之一飞秒。目前可测量的最小时间尺度;能达到的最精确控制激光脉冲的时间尺度;原子外场电子的运动特征时间。
  • 泽秒(zs),千分之一阿秒。放射性原子核辐射出伽马光子的时间尺度。
  • 幺秒(ys),千分之一泽秒。基本粒子W和Z玻色子的平均寿命。
  • 普朗克时间, 10^{-44}s 。可能是宇宙的终极时间。理论上最小的可测量时间,也是有实质物理意义的最小时间。

为什么要将一定能量集中在很小的时间间隔内呢。提高功率!功率是单位时间间隔内的能量。

P=Q/t

当能量固定为1焦耳后,显然脉宽越小功率越大。前面提到的激光切割和微加工的激光脉宽一般为皮秒以下到飞秒。网上随便搜了搜,一般这种微加工的激光器的单脉冲能量在1毫焦左右(千分之一焦耳)。脉宽在100飞秒左右。算一下功率是 P=1mJ/100fs=10GW. 10GW是什么概念呢。100亿瓦。下面的帖子里美国能源部科普了下10亿瓦(1GW)有多大。1GW 相当于300万个光伏太阳能板的发电功率;相当于1.1亿个LED灯泡的功率;相当于130万匹马(1马力大概735瓦);相当于1万辆SUV。。。杠精可能会说这个功率虽大,但只是峰值功率,微加工的激光用的时候不可能只用一个脉冲。肯定是以高重复频率持续工作一段时间。最终的消耗的能量多于1焦耳。

How Much Power is 1 Gigawatt?

那下面就来看下实打实的1焦耳单个脉冲能干什么。

超短超强激光与等离子体相互作用

超短是指的脉冲宽度短,超强是指的功率或功率密度高。

能量1焦耳,把脉冲宽度压缩到大概30飞秒,那么对应的激光功率为33太瓦(1TW=1万亿瓦)。这里固定能量压缩脉宽实际上正是超强激光技术发展的路径。几十太瓦激光器的出现得益于啁啾脉冲放大(CPA)技术的出现(2018年诺贝尔物理学奖)。这个技术能够使得1焦耳左右的激光能量集中在几十飞秒的时间间隔内(实际上已经能够做到几十甚至上百焦耳了)。然后再把激光聚焦到很小的空间尺寸范围内。一般大概在10微米左右。10微米是多大呢?正常人的头发直径大概在50微米左右。这样能够达到的功率密度(单位面积内的功率)能够达到 10^{18}W/cm^{2} 。对应的激光电场强度在 10^{12}V/m 。在这个强度下的物质基本上都会被电离成等离子体(啥是等离子体?物质的第四态,宇宙中99.999%物质都是等离子体,维基百科戳这里)。

这样的激光哪里有呢?到处都是。真正研究超强激光等离子体的有:清华,北大,上交大,上海光机所,中科院物理所,绵阳九院九所等等。国外的更是数不胜数,感兴趣的看文献吧[1]

这样的激光能干啥呢:

  • 粒子加速领域:电子加速,离子加速,中子产生,反物质正电子产生。
  • 辐射光源领域:从长波到短波(低能到高能),太赫兹,高次谐波,紫外光,X射线,伽马射线。
  • 实验室天体物理:磁重联,冲击波,等离子体湍流,喷流。
  • 强场QED:正负电子对产生,真空极化,辐射阻尼。
  • 等等等等再补充。

这里举一个例子,激光等离子体电子加速,出道即巅峰。2004年的Nature杂志三篇文章背靠背Dream beam。说的是啥呢?2004年三个研究小组-美国伯克利国家实验室,英国帝国理工和法国巴黎综合理工-同时在Nature发表文章报道了基于30太瓦激光器产生100兆电子伏特的电子束的新型激光等离子体加速器。直接将激光等离子体加速推向高潮!这种加速器能够将原本像美国SLAC国家实验室的3公里场加速距离缩短到几厘米。

值得一提的是这三家实验室的激光都在30TW左右,30飞秒左右,对应的能量在1焦耳左右。


以上!

以下请多指教:

为什么玻璃杯倒水的时候水会沿外表面流下而不会直接掉下?

光是否具有反推效果?

学物理的学生能硬核到什么程度?

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为什么电器运行中会发热,有没有可能出现不发热的?

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