Joule (Einheit)

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. Gelegentlich wird auch die Bezeichnung Wattsekunde verwendet. Joule setzt sich zwar aus denselben Einheiten wie Newtonmeter zusammen, beschreibt jedoch eine skalare Größe und keine vektorielle.

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 (das ist in etwa die Leistung des menschlichen Herzens).

Einfach gesprochen:

Ein Joule ist die Arbeit, die verrichtet wird, wenn eine Kraft von 1 N einen Körper um 1 m in Richtung der Kraft bewegt.

In SI-Basiseinheiten berechnet sich ein Joule als:

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

In Nährwertkennzeichnungen werden Kilojoule – bezogen auf 100 g, 100 ml oder 1 Portion – für die Angabe des physiologischen Brennwerts verwendet. Die Verwendung des Präfix kilo ist dabei in der EU obligatorisch.^[1] Daneben wird hierfür immer noch die veraltete Einheit Kalorie verwendet.

Aussprache

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

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.^[2]

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).^[3] 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 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 hat hier weiter seinen Platz gehabt.^[4]

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.^[5]

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.^[6] Seit 1960 ist das Joule schließlich Teil des internationalen Einheitensystems (SI-System).

In der EU hat die EG-Richtlinie 71/354/EWG^[7] vom 18. Oktober 1971 das Joule wie die übrigen SI-Einheiten für »endgültig zugelassen« erklärt. Innerhalb von 5 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 offen gelassen; seine Verwendung war schließlich bis Ende 1979 zu untersagen.^[8]

Die Richtlinie 80/181/EWG^[9] vom 20. Dezember 1979 (gültig seit Oktober 1981) hat das SI-System 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.^[10][11]

Zur Nährwertkennzeichnung ist in der EU sowohl eine Angabe in kJ als auch in kcal vorgeschrieben.^[1]

Siehe auch

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

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 calIT =	4,1868	1,163 · 10−6	2,611 · 1019	0,427	1

Quellen

1. ↑ ^{a b} Richtlinie 90/496/EWG des Rates vom 24. September 1990 über die Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln
2. ↑ Report of the Fifty-Second Meeting of the British Association for the Advancement of Science, Seite 6f
3. ↑ A chronological history of the modern metric system, Pat Naughtin, 2008
4. ↑ 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, Arthur E. Kennelly, 9. August 1935
5. ↑ CIPM, 1946, Resolution 2, Definitions of electric units
6. ↑ 9th CGPM, Resolution 3: Triple point of water; thermodynamic scale with a single fixed point; unit of quantity of heat (joule)
7. ↑ Richtlinie 71/354/EWG des Rates vom 18. Oktober 1971 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
8. ↑ Richtlinie 76/770/EWG des Rates vom 27. Juli 1976 zur Änderung der Richtlinie 71/354/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
9. ↑ Richtlinie 80/181/EWG 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
10. ↑ Richtlinie 89/617/EWG des Rates vom 27. November 1989 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
11. ↑ Richtlinie 1999/103/EG 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