Joule
James Prescott Joule leitete die Familienbrauerei bei Manchester und experimentierte zu Hause. 1845 senkte er ein Schaufelrad in ein Gefäß mit Wasser. Zwei Gewichte an Schnüren drehten es. Die Gewichte sanken, die Schaufeln drehten sich, das Wasser erwärmte sich.
Die Erwärmung war winzig, Bruchteile eines Grades. Joule maß sie mit Thermometern, an denen er Hundertstelgrade ablesen konnte. Aus dem Versuch folgte, dass Arbeit und Wärme dasselbe in verschiedener Gestalt sind. Heute haben Arbeit, Wärme und elektrische Energie eine gemeinsame Einheit, das Joule. Ein Joule ist die Arbeit einer Kraft von einem Newton auf einem Weg von einem Meter. So viel braucht man, um einen Apfel einen Meter hochzuheben.
| Zeichen | J |
| Definition | Newtonmeter · N·m · kg·m²·s⁻² · Wattsekunde |
| Bezugswerte | 1 cal — 4,184 J · 1 kWh — 3,6 MJ · 1 eV — 1,602 176 634·10⁻¹⁹ J |
| Eingeführt | 1889, Internationaler Elektrizitätskongress · für Wärme CGPM 1948 |
| Normen | ISO 80000-4 · ISO 80000-5 · SI Brochure 9th ed. |
| Typische Werte | 1 J — ein Apfel einen Meter hoch · 400 kJ — einen Apfel essen · 4,184 GJ — eine Tonne TNT |
01 · Definition
Ein Newton auf einem Meter Weg
Das Joule ist die Arbeit, die eine Kraft von einem Newton verrichtet, wenn sich ihr Angriffspunkt um einen Meter in Kraftrichtung verschiebt. In SI-Basiseinheiten ist es Kilogramm mal Meter zum Quadrat durch Sekunde zum Quadrat.
Mit derselben Einheit misst man jede Energie: kinetische, thermische, elektrische, chemische. Ein Watt eine Sekunde lang ist ebenfalls ein Joule. Energie geht von einer Form in eine andere über, die Summe bleibt gleich. Genau das hat Joules Versuch gezeigt.
Wie viele Joule ein Anheben kostet
Ein Gegenstand wird vom Boden auf die Höhe gehoben, die der Schieberegler vorgibt. Die violette Füllung am Lineal ist der zurückgelegte Weg. Die gestrichelte Linie ist ein Meter. Die Arbeit ist das Gewicht mal die Höhe und wird zum Energievorrat des Gegenstands. Lässt man ihn los, werden beim Aufprall auf den Boden dieselben Joule frei.
Eine Größe in drei Gewohnheiten. Chemiker und Ernährungsberater rechnen in Kalorien: Eine Kalorie erwärmt ein Gramm Wasser um ein Grad und ist gleich 4,184 J. Energietechniker rechnen in Kilowattstunden: Ein Gerät mit einem Kilowatt verbraucht in einer Stunde 3,6 MJ. Physiker schreiben Joule. Auf Lebensmittelverpackungen stehen oft beide Zahlen, kcal und kJ.
Wie oft man die Gewichte fallen lassen muss, um Wasser um ein Grad zu erwärmen
Zwei Gewichte hängen an Schnüren, die über Rollen laufen. Die Schnüre sind auf eine Trommel gewickelt, die ein Rührwerk in einem Kupfergefäß mit Wasser dreht. Die Gewichte sinken 1,6 m, die Schaufeln quirlen das Wasser, und es erwärmt sich. Dann zieht man die Gewichte wieder hoch, das Rührwerk ist dabei abgekoppelt. Rechts ein Thermometer unter der Lupe, Teilung 0,01 K. Darunter zwei Balken: violett die Arbeit der Gewichte, orange die Wärme, die ins Wasser ging. Der graue Teil sind die Verluste durch Reibung in den Rollen und die Wärme, die an den Raum abging. Die Schaltfläche „Fallen lassen“ löst die Gewichte einmal aus, „20-mal“ nacheinander, wie bei Joule.
Lassen Sie die Gewichte einige Male fallen und sehen Sie, wie stark sich das Wasser erwärmt.
02 · Umrechnung
| Einheit | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
Die „Kalorie“ auf der Lebensmittelpackung ist eine Kilokalorie, 4,184 kJ.
Eine Kilowattstunde sind 3,6 Millionen Joule. So viel braucht ein Wasserkocher für etwa zehnmal einen Liter Wasser kochen.
Ein Elektronenvolt ist die Energie eines Elektrons, das eine Potentialdifferenz von einem Volt durchlaufen hat. Man braucht es für Atome und Photonen.
03 · Größenordnungen
04 · Messgeräte
05 · Schreibregeln
06 · Benachbarte Einheiten
07 · Historischer Teil
Es gibt mehrere Kalorien, und alle sind verschieden. Die thermochemische ist genau 4,184 J. Die internationale aus den Wasserdampftafeln ist genau 4,1868 J. Die 15-Grad-Kalorie, die ein Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 °C erwärmt, ist etwa 4,1855 J. Der Unterschied liegt unter einem Prozent, doch in einer genauen Rechnung ist er sichtbar.
Deshalb beschloss die Generalkonferenz für Maß und Gewicht 1948, Wärme in Joule zu messen und die Kalorie hinter sich zu lassen. Das Joule ist über Kilogramm, Meter und Sekunde festgelegt und hängt nicht von den Eigenschaften des Wassers ab. Joules eigener Versuch ergab 772 Foot-Pound pro British Thermal Unit, etwa 4,15 J pro Kalorie. Das liegt weniger als ein Prozent neben dem heutigen Wert.
Größenkatalog
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Ein Tropfen Säure ändert die Farbe des Safts, Salz färbt die Flamme, Wasser gefriert durch ein Klopfen. Darunter alle Simetrium-Blätter, nach Fachgebieten und alphabetisch.
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