Das Joule (J) ist die Maßeinheit für Energie, die im Internationalen Einheitensystem (SI) verwendet wird und in wissenschaftlichen Kreisen akzeptiert wird. Die Einheit wird in allen Gleichungen und Berechnungen verwendet, die Energie beinhalten. Gemäß den SI-Konventionen werden Joule mit einem großen J abgekürzt, da der Begriff von einem Eigennamen abgeleitet ist, obwohl er, wenn er ausgeschrieben wird, nicht großgeschrieben wird. Ein J ist definiert als die Energiemenge, die von einer Kraft von 1 Newton aufgewendet wird, um ein Objekt 1 Meter in die gleiche Richtung wie die Kraft zu bewegen. Ein Newton ist die Kraft, die erforderlich ist, um eine Masse von 1 Kilogramm (2.2 Pfund) mit einer Geschwindigkeit von 1 Meter (3.3 Fuß) pro Sekunde pro Sekunde zu beschleunigen; daher ist die Beschleunigung so, dass die Geschwindigkeit der Masse mit jeder verstrichenen Sekunde um 1 Meter pro Sekunde zunimmt.
Definition
Die obige Definition von Joule mag kompliziert erscheinen, aber der Vorteil von SI-Einheiten besteht darin, dass sie es ermöglichen, all die vielen Dinge, die Wissenschaftler möglicherweise messen möchten, in Form einer kleinen Anzahl von Basiseinheiten zu quantifizieren. Es bedeutet auch, dass alle Wissenschaftler die gleiche Sprache sprechen, wenn sie sich an diese Einheiten halten. Das Joule wird als abgeleitete Einheit bezeichnet, indem es sich aus den Basiseinheiten Kilogramm, Meter und Sekunden ergibt.
Es kann als Newtonmeter angesehen werden – eine Kraft von 1 Newton, die über eine Entfernung von 1 Meter (3.3 Fuß) ausgeübt wird. Da das Newton selbst eine abgeleitete Einheit ist, kann ein Joule weiter in Meter zum Quadrat mal Kilogramm mal Meter pro Sekunde pro Sekunde aufgeschlüsselt werden:
J = m2kgs-2
Obwohl ein Joule 1 Newtonmeter ist, wird Energie normalerweise nicht mit letzterer Einheit bezeichnet, um eine Verwechslung mit der Maßeinheit für Drehmoment oder Kraftmoment, die mit der Drehbewegung zu tun hat, zu vermeiden.
Kraft, Arbeit, Energie und Leistung
Es gibt oft eine gewisse Verwirrung zwischen diesen Begriffen und den Einheiten, mit denen sie gemessen werden. Eine Kraft ist ein Einfluss, der eine Änderung der Bewegung eines Objekts bewirkt; mit anderen Worten: Beschleunigung. Arbeit ist die Ausübung von Kraft, um Bewegung zu erzeugen, während Energie das Potenzial ist, Arbeit zu verrichten, und wird verbraucht, wenn Arbeit verrichtet wird. Um beispielsweise einen Gegenstand in eine bestimmte Richtung zu schieben, muss eine Kraft ausgeübt werden, die Arbeit verrichtet und Energie verbraucht werden muss. Arbeit und Energie können beide in Joule gemessen werden.
Leistung ist die Rate, mit der Energie verbraucht wird und wird in Watt gemessen. Der Verbrauch von 1 J Energie für eine Sekunde verbraucht 1 Watt Leistung, also ist 1 Watt 1 Joule pro Sekunde. Eine 100-Watt-Glühbirne verbraucht 100 J Energie pro Sekunde. Der Stromverbrauch von Haushalten wird in Kilowattstunden gemessen: Ein Kilowatt entspricht 1,000 Watt und 1 Kilowattstunde entspricht 3,600,000 J.
Beispiele
Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie viel Energie ein Joule tatsächlich ist, hilft ein Blick auf einige alltägliche Beispiele. Ein Joule ist die Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm kühler, trockener Luft um 1.8 °C (1.0 °F) zu erhöhen. Eine durchschnittliche Person, die ruhig sitzt, produziert pro Sekunde 100 J Wärme. Die Energiemenge, die erforderlich ist, um einen kleinen Apfel 1 Meter (3.3 Fuß) gegen die Erdanziehungskraft anzuheben, entspricht ungefähr 1 J.
Geschichte
Die Einheit ist nach dem englischen Physiker James Prescott Joule benannt, dessen Arbeit im 19. Jahrhundert zur Theorie der Energieerhaltung und dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik führte. Durch seine Experimente konnte er feststellen, dass Energie bei getaner Arbeit von einer Form in eine andere übergeht, aber nicht aus dem Nichts erschaffen oder zerstört werden kann. Wird beispielsweise Strom zum Antreiben eines Motors verwendet, wird ein Teil der elektrischen Energie in Bewegung und der Rest in Wärme umgewandelt. Er konnte zeigen, dass die Bewegung plus die Wärme der ursprünglichen Menge an elektrischer Energie entspricht.