Joule

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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen werden unter Joule (Begriffsklärung) aufgeführt.

Einheit
Norm	SI-Einheitensystem
Einheitenname	Joule
Einheitenzeichen	$J$
Beschriebene Größe(n)	Arbeit; Energie; innere Energie Wärme, Wärmemenge
Größensymbol(e)	$W;\, A;\, E;\, U;\, Q$
Dimensionsname	Energie
Dimensionssymbol	$E$
In SI-Einheiten	$\mathrm{1\, J = 1\,\frac{kg\, m^2}{s^2} = 1\, {V A s}= 1\, {C V} = 1\, {W s}}$
In CGS-Einheiten	$\mathrm{1\, J = 10^7\, erg = 10^7\,\frac{cm^2\, g}{s^2}}$
Benannt nach	James Prescott Joule

Das Joule ist die abgeleitete SI-Einheit der Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge. Benannt ist die Einheit nach James Prescott Joule. Nach den unterschiedlichen Arten der Herleitung sind auch die Bezeichnungen Newtonmeter und Wattsekunde gebräuchlich:

1 Joule

= 1 Newton · 1 Meter =

= 1 Watt · 1 Sekunde =

= 1 Coulomb · 1 Volt

Ein Joule ist gleich der Energie, die benötigt wird, um:

über die Strecke von einem Meter die Kraft von einem Newton aufzuwenden oder
für die Dauer einer Sekunde die Leistung von einem Watt aufzubringen.

Unter normalem atmosphärischem Druck von 1013,25 hPa wird ein Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 °C (von 287,65 auf 288,65 Kelvin) erwärmt, wenn man eine Energie von 4,1868 Joule (früher 1 Kalorie) zuführt.

In SI-Basiseinheiten berechnet sich ein Joule als:

$1~{\rm J} = 1~{\rm{N}\cdot\rm{m}} = 1~\frac{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2} = 1~{\rm{W}\cdot\rm{s}}$

Die 1000fache Einheit heißt Kilojoule und wird mit kJ abgekürzt. Sinngemäßes gilt für die seltener verwendeten MJ (Megajoule) und GJ (Gigajoule).

[Bearbeiten] Aussprache

Die Aussprache des Wortes Joule ist uneinheitlich: Im deutschen Sprachraum ist [dʒuːl] gebräuchlicher; im englischen hingegen [dʒaʊl].

[Bearbeiten] Geschichte

Auf dem ersten Internationalen Elektrikerkongress am 20. und 21. September 1881 in Paris war nicht nur das CGS-System als 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 introducion 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.^[1]

Der zweite Internationale Elektrikerkongress 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). 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.^[2]

Der vierte Internationale Elektrikerkongress 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 Elektrikerkongresse, 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 war hier weiter seinen Platz gehabt.^[3]

Im Zug der Meterkonvention hat das Internationale Komitee für Maß und Gewicht im Jahr 1946 das Joule als die Arbeit definiert, die dadurch geleistet 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.^[4]

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.^[5] Seit 1960 ist das Joule schließlich Teil des internationalen Einheitensystems (SI-System).

In der EU hat die EG-Richtlinie 71/354/EWG^[6] vom 18. Oktober 1971 das Joule wie die übrigen SI-Einheiten für »endgültig zugelassen« erklärt. Innerhalb von 5 Jahren mussten die Mitgliedsstaaten den Zwang zur Anwendung einführen; die Verwendung der konkurrierenden Kalorie war bis spätestens Ende 1977 zu untersagen. Das Schicksal des Erg wurde zunächst offen gelassen; seine Verwendung war schließlich bis Ende 1979 zu untersagen.^[7]

Die Richtlinie 80/181/EWG^[8] vom 20. Dezember 1979 (gültig seit Oktober 1981) hat das SI-System mit dem Joule bestätigt, aber den Mitgliedsstaaten 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.^[9]^[10]

Zur Nährwertkennzeichnung ist in der EU sowohl eine Angabe in kJ als auch in kcal vorgeschrieben.^[11]

[Bearbeiten] Siehe auch

Nach James Prescott Joule ist auch ein Thermodynamischer Kreisprozess benannt, der Joule-Prozess.

Der Brennwert von Nahrungsmitteln wird üblicherweise zusätzlich in kcal (Kilokalorien) angegeben. Die Einheit Kalorie ist veraltet bzw. wurde von der SI-Einheit J (Joule) abgelöst. Siehe hierzu den Artikel zu Kalorie.

Größenordnung (Energie) - eine wertmäßige Zusammenstellung von alltäglichen und nicht alltäglichen Energien, die uns umgeben, ideal um Größenvergleiche aufzustellen.

Energieeinheiten und Umrechnungsfaktoren
von / nach	Joule	Kilowattstunde	Elektronenvolt	Kilopondmeter	Kalorie
1 J = 1 kg·m²/s² =	1	2,778 · 10⁻⁷	6,242 · 10¹⁸	0,102	0,239
1 kW·h =	3,6 · 10⁶	1	2,25 · 10²⁵	3,667 · 10⁵	8,60 · 10⁵
1 eV =	1,602 · 10⁻¹⁹	4,45 · 10⁻²⁶	1	1,63 · 10⁻²⁰	3,83 · 10⁻²⁰
1 kp·m =	9,80665	2,72 · 10⁻⁶	6,13 · 10¹⁹	1	2,34
1 cal_int =	4,1868	1,163 · 10⁻⁶	2,611 · 10¹⁹	0,427	1