Joule
| Physikalische Einheit | |
|---|---|
| Einheitenname | Joule
|
| Einheitenzeichen | $ \mathrm {J} $ |
| Physikalische Größe(n) | Energie, Arbeit, innere Energie, Wärme |
| Formelzeichen | $ W;\,A;\,E;\,U;\,Q $ |
| Dimension | $ {\mathsf {M\;L^{2}\;T^{-2}}} $ |
| System | Internationales Einheitensystem |
| In SI-Einheiten | $ \mathrm {1\,J=1\;{\frac {kg\,m^{2}}{s^{2}}}=1\;{Nm}} $ $ \mathrm {=1\;{VAs}=1\;{CV}=1\;{Ws}} $ |
| In CGS-Einheiten | $ \mathrm {1\,J=10^{7}\;erg=10^{7}\;{\frac {cm^{2}\,g}{s^{2}}}} $ |
| Benannt nach | James Prescott Joule |
| Abgeleitet von | Kilogramm, Meter, Sekunde |
Joule [dʒuːl] ist die abgeleitete SI-Einheit der Energie. Benannt nach James Prescott Joule, wird diese Einheit heute für alle Energieformen verwendet, also auch für die Arbeit und Wärmemenge.[1]
Wie jede abgeleitete Einheit kann das Joule durch Basiseinheiten ausgedrückt werden. Mit den Einheiten kg, m und s gilt:
- $ \mathrm {1\,J=1\,{\frac {kg\,m^{2}}{s^{2}}}} $
Veranschaulichung
Ein Joule ist gleich der Energie, die benötigt wird, um:
- einen Körper mit der Masse 0,102 Kilogramm – das entspricht etwa einer Tafel Schokolade – um einen Meter anzuheben (1 Newtonmeter) oder
- eine Sekunde lang die Leistung von einem Watt – das ist ungefähr die Leistung des menschlichen Herzens – zu erbringen (1 Wattsekunde) oder
- bei einer elektrischen Spannung von einem Volt für die Dauer einer Sekunde einen elektrischen Strom von einem Ampere fließen zu lassen (1 Voltamperesekunde) oder
- ein Gramm Wasser um ca. 0,239 Kelvin zu erwärmen oder
- einen Körper der Masse 2 Kilogramm aus der Ruhe auf eine Geschwindigkeit von 1 m/s zu beschleunigen.
In Nährwertkennzeichnungen werden Kilojoule (kJ) – bezogen auf 100 g, 100 ml oder 1 Portion – für die Angabe des physiologischen Brennwerts verwendet.[2]
Aussprache
Die Aussprache des Wortes „Joule“ ist uneinheitlich: Im deutschen Sprachraum ist die Aussprache [dʒuːl] gebräuchlich, wahrscheinlich sprach auch James Prescott Joule seinen Namen so aus.[3]
Geschichte
Auf dem ersten Internationalen Elektrizitätskongress am 20. und 21. September 1881 in Paris war nicht nur das CGS-System für verbindlich erklärt worden, sondern zusätzlich zu diesem „absoluten System“ auch ein „praxisnahes System“, bestehend aus Ohm, Ampere, Volt, Coulomb und Farad, das für den praktischen Gebrauch in der Elektrotechnik handlichere Größenordnungen liefert als direkt aus dem CGS-System abgeleitete Einheiten. Beide Systeme unterscheiden sich aber nur durch Faktoren aus Zehnerpotenzen.
In seiner Antrittsrede als Präsident der British Association for the Advancement of Science hat Wilhelm Siemens am 23. August 1882 zur Ergänzung des praxisnahen Systems neben Weber, Watt und Gauß auch das Joule als Einheit für die Wärme vorgeschlagen. Es sollte abgeleitet von den anderen elektromagnetischen Einheiten als die Wärmemenge, die ein Strom von 1 Ampere an einem Widerstand von 1 Ohm innerhalb von 1 Sekunde produziert, definiert sein und damit äquivalent zu 107 erg, der Einheit der Energie im CGS-System.
“The unit of heat has hitherto been taken variously as the heat required to raise a pound of water at the freezing-point through 1° Fahrenheit or Centigrade, or, again, the heat necessary to raise a kilogramme of water 1° Centigrade. The inconvenience of a unit so entirely arbitrary is sufficiently apparent to justify the introduction of one based on the electro-magnetic system, viz. the heat generated in one second by the current of an Ampère flowing through the resistance of an Ohm. In absolute measure its value is 107 C.G.S. units, and, assuming Joule's equivalent as 42,000,000, it is the heat necessary to raise 0.238 grammes of water 1° Centigrade, or, approximately, the ⅟₁₀₀₀th part of the arbitrary unit of a pound of water raised 1° Fahrenheit and the ⅟₄₀₀₀th of the kilogramme of water raised 1° Centigrade. Such a heat unit, if found acceptable, might with great propriety, I think, be called the Joule, after the man who has done so much to develop the dynamical theory of heat.”
„Die Einheit der Wärme wurde bisher verschiedenartig definiert, zum Beispiel als die Wärme, die benötigt wird, um ein Pfund Wasser vom Gefrierpunkt um 1° Fahrenheit oder Celsius zu erwärmen, oder anders auch als die Wärme, die benötigt wird um ein Kilogramm Wasser um 1° Celsius zu erwärmen. Die Unzulänglichkeit einer so völlig zufälligen Einheit ist offensichtlich genug, um die Einführung einer auf dem elektromagnetischen System basierenden Einheit zu rechtfertigen, nämlich definiert als die Wärme, die während einer Sekunde erzeugt wird, wenn 1 Ampère durch einen Widerstand von 1 Ohm fließt. Dieser Wert hat im CGS-System die Maßzahl 107 und ist, wenn man Joules mechanisches Wärmeäquivalent mit 42.000.000 annimmt, gleich der Wärme, die benötigt wird, um 0,238 Gramm Wasser um 1° Celsius zu erwärmen, oder ungefähr ein Tausendstel der zufällig festgelegten Einheit von einem Pfund Wasser, das um 1° Fahrenheit erwärmt wird und etwa ein Viertausendstel von einem Kilogramm Wasser, das um 1° Celsius erwärmt wird. Falls eine solche Wärmeeinheit allgemein akzeptiert wird, sollte sie meiner Meinung nach „Joule“ genannt werden, da dieser so viel für die Entwicklung der dynamischen Wärmetheorie getan hat.“
Der zweite Internationale Elektrizitätskongress in Paris hat das Joule schließlich am 31. August 1889 als Einheit in der vorgeschlagenen Form beschlossen, neben dem Watt und dem Henry (damals noch Quadrant genannt).[5] Das Joule war also sowohl über die CGS-Basiseinheiten als auch über Ohm und Ampere definiert, die zwar ihrerseits von den CGS-Basiseinheiten abgeleitet werden können, aber trotzdem auch mit direkten Messvorschriften spezifiziert waren.
Der vierte Internationale Elektrizitätskongress im August 1893 in Chicago hat deshalb zusätzlich das internationale Joule eingeführt, das von den Spezifikationen für das internationale Ohm und das internationale Ampere abgeleitet ist, die zudem gegenüber dem alten Ohm und Ampere leicht verändert worden waren. Im Gegensatz dazu hat das absolute Joule oder theoretische Joule den wahren Wert auf Grundlage des CGS-Systems bezeichnet.
Im Juni 1935 hat die Internationale elektrotechnische Kommission, die Nachfolgerin der Internationalen Elektrizitätskongresse, die Übernahme des Giorgi-Systems beschlossen, einem MKS-System, in dem die bestehenden „praxisnahen Einheiten“ ohne die Zehnerpotenzen als Umrechnungsfaktoren einen natürlichen Platz finden, indem die magnetische Feldkonstante passend definiert wird. Auch das Joule hat hier weiter seinen Platz gehabt.[6]
Im Zug der Meterkonvention hat das Internationale Komitee für Maß und Gewicht im Jahr 1946 das Joule als die Arbeit definiert, die dadurch verrichtet wird, dass der Punkt, an dem 1 MKS-Einheit der Kraft (damals noch nicht offiziell als Newton benannt) ansetzt, um 1 Meter in deren Richtung bewegt wird. Ausdrücklich war das Joule auch als Einheit der Energie und für die Verwendung im elektromagnetischen Kontext vorgesehen.[7]
Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat diese Definition auf ihrer 9. Konferenz im Jahr 1948 ratifiziert und insbesondere auch verlangt, dass das Joule in der Kalorimetrie nach Möglichkeit anstelle der Kalorie verwendet wird.[8] Seit 1960 ist das Joule schließlich Teil des internationalen Einheitensystems (SI).
In der EU hat die EG-Richtlinie 71/354/EWG[9] vom 18. Oktober 1971 das Joule wie die übrigen SI-Einheiten für „endgültig zugelassen“ erklärt. Innerhalb von fünf Jahren mussten die EU-Mitgliedstaaten den Zwang zur Anwendung einführen; die Verwendung der konkurrierenden Kalorie war bis spätestens Ende 1977 zu untersagen. Das Schicksal des Erg wurde zunächst offengelassen; seine Verwendung war schließlich bis Ende 1979 zu untersagen.[10]
Die Richtlinie 80/181/EWG[11] vom 20. Dezember 1979 (gültig seit Oktober 1981) hat das SI mit dem Joule bestätigt, aber den Mitgliedstaaten die Möglichkeit eingeräumt, andere Einheiten befristet wieder zuzulassen, solang sie nur zusätzlich verwendet werden und die SI-Einheit hervorgehoben wird. Die Frist war zunächst auf Ende 1989 festgelegt und ist später erst auf Ende 1999 und dann auf Ende 2009 verlängert worden.[12][13] Seit dem 1. Januar 2010 ist die zusätzliche Angabe von Kalorien neben Joule in der EU nun unbefristet zulässig.[2]
Bei Lebensmitteln schreibt die Lebensmittel-Informationsverordnung (LMIV) seit 13. Dezember 2014 im Warenverkehr der EU die Angabe des physiologischen Brennwerts in der Einheit kJ pro 100 g vor. Neben der Angabe in kJ kann der Brennwert zusätzlich auch in der veralteten Einheit kcal pro 100 g angegeben werden.
Verwandte Einheiten
Eine Umrechnungstabelle für verbreitete Energieeinheiten findet sich im Artikel Energie.
Wichtige Einheiten für Energie sind:
- 1 MJ = $ 0{,}2{\overline {7}} $ kWh
- 1 kWh = 3,6 MJ
Einheiten der elektrischen Scheinenergie sind:
- 1 Voltamperesekunde (VAs) = 1 J
- 1 Voltamperestunde (VAh) = 3,6 kJ
- 1 Kilovoltamperestunde (kVAh) = 3,6 MJ
Einheiten der elektrischen Blindenergie sind:
- 1 Varsekunde (vars) = 1 J
- 1 Varstunde (varh) = 3,6 kJ
- 1 Kilovarstunde (kvarh) = 3,6 MJ
Siehe auch
- Größenordnung (Energie) – Zusammenstellung alltäglicher und nicht alltäglicher Energien.
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland. (PDF; 1,6 MB) Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Juni 2015, S. 12, abgerufen am 22. November 2015.
- ↑ 2,0 2,1 Richtlinie 2009/3/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. März 2009 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen.
- ↑ Zitat (Oxford English Dictionary): „Although some people of this name call themselves dʒaʊl, and others dʒəʊl, it is almost certain that J. P. Joule (and at least some of his relatives) used dʒuːl.“
- ↑ Report of the Fifty-Second Meeting of the British Association for the Advancement of Science. S. 6 f.
- ↑ Pat Naughtin: A chronological history of the modern metric system. Auf: metricationmatters.com. (PDF-Datei; 1,44 MB), 2009.
- ↑ Arthur E. Kennelly: Adoption of the Meter-Kilogram-Mass-Second (M.K.S.) Absolute System of Practical Units by the International Electrotechnical Commission (I.E.C.), Bruxelles, June, 1935. (PDF-Datei; 440 kB), 9. August 1935.
- ↑ CIPM, 1946, Resolution 2, Definitions of electric units. Auf: bipm.org.
- ↑ 9th CGPM, Resolution 3: Triple point of water; thermodynamic scale with a single fixed point; unit of quantity of heat (joule). Auf: bipm.org.
- ↑ Richtlinie 71/354/EWG (PDF) des Rates vom 18. Oktober 1971 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen.
- ↑ Richtlinie 76/770/EWG (PDF) des Rates vom 27. Juli 1976 zur Änderung der Richtlinie 71/354/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen.
- ↑ Richtlinie 80/181/EWG in der konsolidierten Fassung vom 27. Mai 2009 (PDF) des Rates vom 20. Dezember 1979 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen und zur Aufhebung der Richtlinie 71/354/EWG.
- ↑ Richtlinie 89/617/EWG (PDF) des Rates vom 27. November 1989 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen.
- ↑ Richtlinie 99/103/EG (PDF) des Europäischen Parlaments und des Rates vom 24. Januar 2000 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen.
