Manche Einheiten gehören keinem Maßsystem an. Sie sind weder SI noch angloamerikanisch noch US-amerikanisch. Sie entstanden für ein Fachgebiet, sie passen zu dessen Größen, und sie überdauerten, weil ein Ersatz die alltäglichen Zahlen schwerer statt leichter lesbar machen würde. Kalorie, Wattstunde und Elektronenvolt sind die deutlichsten Beispiele, und alle drei messen Energie.
Die Energie zieht solche Einheiten an, weil sie einen außerordentlichen Bereich umspannt. Das Aufbrechen einer einzelnen chemischen Bindung umfasst etwa 10-19 Joule. Der Tagesstrombedarf eines Haushalts umfasst etwa 107. Das sind sechsundzwanzig Größenordnungen zwischen zwei gewöhnlichen Größen. Das Joule sitzt an beiden Enden unbequem, weshalb jedes Fachgebiet eine auf seine Arbeit zugeschnittene Einheit übernahm.
Ein Maßsystem ist mehr als eine Sammlung von Einheiten. Es besitzt Basiseinheiten, Regeln zur Ableitung der übrigen und meist eine Reihe von Vorsätzen. Das SI hat alle drei. Die Einheiten dieser Seite haben nichts davon. Es sind einzelne Definitionen, jede durch eine Umrechnung in Joule festgelegt, ohne strukturelle Beziehung untereinander.
Das Internationale Büro für Maß und Gewicht erkennt mehrere solcher Einheiten zum Gebrauch neben dem SI an. Einige, wie Liter, Stunde und Tonne, sind zugelassen, weil sie zu fest verankert sind, um sie zu streichen. Andere, wie Elektronenvolt und Astronomische Einheit, sind zugelassen, weil ihre Werte experimentell bestimmt und wirklich nützlich sind. Die hier behandelten Einheiten fallen in beide Kategorien, und keine ist missbilligt.
Die Kalorie war als jene Energie definiert, die nötig ist, um ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Diese Menge hängt geringfügig von der Ausgangstemperatur ab, weshalb über die Jahre mehrere Kalorien mit leicht verschiedenen Werten festgelegt wurden. Die thermochemische Kalorie zu genau 4,184 Joule ist die heute allgemein gebräuchliche.
Die Verwirrung um diese Einheit betrifft ausschließlich die Größenordnung. Die auf Lebensmittelverpackungen gedruckte Kalorie ist nicht die Kalorie der Physik. Es ist die Kilokalorie, tausendmal größer, geschrieben mit großem C oder als kcal, um den Unterschied zu kennzeichnen. Ein Schokoriegel mit 250 Kalorien enthält 250 Kilokalorien, also 250.000 physikalische Kalorien oder rund 1,05 Millionen Joule. Nährwertetiketten drucken in den meisten Ländern inzwischen Kilojoule daneben, was die Mehrdeutigkeit beseitigt.
In der Ernährungslehre besteht die Einheit fort, weil die Zahlen gut fallen. Die tägliche Energiezufuhr liegt bei etwa 2000 bis 2500 Kilokalorien, eine leicht merkbare Spanne. In Joule ausgedrückt ergäben dieselben Werte acht bis zehn Millionen, was niemandem nützt, der im Laden zwei Produkte vergleicht.
Die Wattstunde ist die Energie, die eine Leistung von einem Watt in einer Stunde liefert. Da ein Watt ein Joule je Sekunde ist und eine Stunde 3600 Sekunden zählt, entspricht eine Wattstunde genau 3600 Joule und eine Kilowattstunde genau 3,6 Megajoule.
Die Unterscheidung, auf der diese Einheit beruht, verdient Genauigkeit, denn sie ist das am häufigsten verwechselte Paar der gesamten Messtechnik. Leistung ist eine Rate, die Geschwindigkeit des Energieverbrauchs. Energie ist die Gesamtmenge. Ein Heizlüfter mit 2000 Watt bezieht Energie mit fester Rate; drei Stunden betrieben verbraucht er 6 Kilowattstunden. Strom wird nach Energie abgerechnet, nicht nach Leistung, weshalb der Zähler Kilowattstunden anzeigt.
Die Einheit beherrscht die Energiewirtschaft auf allen Ebenen. Haushaltsrechnungen stehen in Kilowattstunden. Batterien von Elektroautos werden in Kilowattstunden angegeben, üblicherweise 40 bis 100. Die Erzeugung von Kraftwerken misst man in Megawattstunden, den Landesverbrauch in Terawattstunden. Das Joule dient für keine dieser Größen, obwohl es die SI-Einheit ist, weil die Zahlen unhandlich würden: Ein Jahr Haushaltsstrom entspricht rund 12 Gigajoule, was kaum jemand einordnen kann.
| Vorgang | Typischer Wert | In Joule |
|---|---|---|
| LED-Lampe, eine Stunde | 0,01 kWh | 36.000 J |
| Wasserkocher, einmal kochen | 0,1 kWh | 360.000 J |
| Haushalt, ein Tag | 10 kWh | 36.000.000 J |
| Elektroauto, volle Ladung | 60 kWh | 216.000.000 J |
Das Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von einem Volt gewinnt. Seit der SI-Neudefinition von 2019 ist es exakt: 1,602176634 × 10-19 Joule, da die Elementarladung nun eine festgelegte Konstante ist.
Es ist die Arbeitseinheit der Teilchen- und Atomphysik. Chemische Bindungen liegen bei wenigen Elektronenvolt. Photonen sichtbaren Lichts reichen von etwa 1,6 bis 3,3 Elektronenvolt. Röntgenstrahlung zählt Tausende, geschrieben keV. Kernübergänge zählen Millionen, geschrieben MeV. Teilchenbeschleuniger erreichen Milliarden und Billionen, geschrieben GeV und TeV, und der Große Hadronen-Speicherring arbeitet bei 13 TeV. Das Joule auf dieser Skala zu verwenden hieße, in jeder Rechnung einen Exponenten von minus neunzehn mitzuschleppen.
Das Elektronenvolt erfüllt noch eine zweite Aufgabe. Über die Äquivalenz von Masse und Energie geben Physiker Teilchenmassen in Elektronenvolt geteilt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit an und lassen den Divisor gewöhnlich als selbstverständlich weg. Ein Elektron misst 511 keV, ein Proton 938 MeV und das Higgs-Boson rund 125 GeV. Massen und Energien werden dadurch unmittelbar vergleichbar, was zählt, wenn beide routinemäßig ineinander umgerechnet werden.
Die Energie ist nicht die einzige Größe mit Einheiten außerhalb der Systeme. Mehrere weitere sind förmlich zum Gebrauch mit dem SI zugelassen, ohne dazuzugehören, und einige erscheinen anderswo auf dieser Website.
Die Zeit bildet die größte Ausnahme. Minute, Stunde und Tag sind keine SI-Einheiten und nicht dezimal, dennoch hat sich kein ernsthafter Vorschlag zu ihrer Ablösung durchgesetzt. Die Sekunde ist die SI-Basiseinheit, alles darüber stammt aus der babylonischen Sechzigerzählung. Beim Winkel verhält es sich ebenso: Grad, Bogenminute und Bogensekunde teilen den Kreis in 360 statt in eine Zehnerpotenz, während die SI-Einheit der Radiant ist.
Volumen und Masse haben je einen zugelassenen Außenseiter. Das Liter ist genau ein Kubikdezimeter, beibehalten, weil der Kubikmeter für Haushaltsmengen zu groß und der Kubikzentimeter zu klein ist. Die Tonne umfasst genau 1000 Kilogramm, beibehalten aus demselben Grund am anderen Ende der Skala. Für Flächen gibt es den Hektar zu 10.000 Quadratmetern, der fortbesteht, weil der Quadratkilometer für ein Feld zu grob und der Quadratmeter viel zu fein ist.
Beim Druck sind es zwei. Das Bar entspricht genau 100.000 Pascal, die Atmosphäre genau 101.325. Beide sind praktisch, weil sie nahe am gewöhnlichen Luftdruck liegen, sodass ein Wert um eins unmittelbar aussagekräftig ist, was 101.325 Pascal nicht sind.
| Einheit | Größe | Exakter SI-Wert | Umrechnen |
|---|---|---|---|
| Liter | Volumen | 0,001 m³ | Liter in Kubikmeter |
| Tonne | Masse | 1000 kg | Tonnen in Kilogramm |
| Stunde | Zeit | 3600 s | Stunden in Sekunden |
| Grad | Winkel | π/180 rad | Grad in Radiant |
| Hektar | Fläche | 10.000 m² | Hektar in Quadratmeter |
| Bar | Druck | 100.000 Pa | Bar in Pascal |
Der gemeinsame Faden ist die Lesbarkeit. Jede Einheit wurde so gewählt, dass die Größen ihres Fachgebiets als Zahlen zwischen etwa eins und einigen tausend erscheinen. In diesem Bereich funktioniert menschlicher Vergleich am besten. Eine Einheit, die jede Angabe in die wissenschaftliche Schreibweise zwingt, macht ein Fachgebiet schwerer denkbar, welche formalen Vorzüge sie auch habe.
Hinzu kommt Trägheit, und sie ist nicht bloß Sturheit. Jahrzehnte veröffentlichter Messungen, Gerätekalibrierungen, Abrechnungssysteme und Vorschriften sind in diesen Einheiten formuliert. Sie zu ändern würde die Lesbarkeit des gesamten Bestands entwerten, ohne einen Gewinn an Genauigkeit, da die Umrechnungen exakt sind.
Verschwunden ist die Mehrdeutigkeit. Jede hier behandelte Einheit ist heute als exakte Anzahl Joule definiert, sodass beim Übersetzen nichts verloren geht. Das war nicht immer so. Besonders die Kalorie kannte bis weit ins zwanzigste Jahrhundert mehrere konkurrierende Definitionen, und ältere Quellen verlangen Sorgfalt.
| Einheit | Symbol | Wert in Joule | Umrechnen |
|---|---|---|---|
| Elektronenvolt | eV | 1,602176634 × 10-19 | Elektronenvolt in Joule |
| Kalorie | cal | 4,184 | Kalorien in Joule |
| Wattstunde | Wh | 3600 | Wattstunden in Joule |
| Kilokalorie | kcal | 4184 | Kilokalorien in Joule |
| Kilowattstunde | kWh | 3.600.000 | Kilowattstunden in Joule |
Die häufigste Verwechslung im Umgang mit diesen Einheiten betrifft nicht die Umrechnung, sondern die Größe selbst. Kilowatt und Kilowattstunde klingen ähnlich und messen Verschiedenes. Das Kilowatt ist Leistung, also Energie je Zeit. Die Kilowattstunde ist Energie, also Leistung mal Zeit. Eine Wärmepumpe mit 5 Kilowatt Leistung verbraucht in zwei Stunden 10 Kilowattstunden.
Bei Photovoltaikanlagen tritt dasselbe Paar nebeneinander auf: Die Anlage hat eine Spitzenleistung in Kilowatt-Peak und liefert im Jahr eine Energiemenge in Kilowattstunden. Beide Zahlen beschreiben dieselbe Anlage und dürfen nicht verglichen werden. Wer Angebote prüft, achtet darauf, ob eine Angabe eine Rate oder eine Menge meint, bevor er sie umrechnet.
Historische Angaben in diesen Einheiten verlangen Aufmerksamkeit, denn die Kalorie wurde mehrfach definiert. Die thermochemische Kalorie zu genau 4,184 Joule ist heute Norm, doch die Kalorie der internationalen Dampftafeln misst 4,1868 Joule, die 15-Grad-Kalorie etwa 4,1855 und die mittlere Kalorie etwa 4,190. Die Streuung bleibt unter einem Viertelprozent, in der Ernährungslehre bedeutungslos und in der genauen Thermochemie erheblich. Bei Quellen vor etwa 1950 lohnt die Prüfung, welche Kalorie gemeint ist.
Das Elektronenvolt hat die umgekehrte Geschichte. Sein Wert hing von Messungen der Elementarladung ab, verbesserte sich daher stetig und verschob sich mit jeder Revision der Naturkonstanten in den letzten Stellen. Seit 2019 ist er exakt und wird sich nicht mehr ändern. Ältere Arbeiten, die Energien mit vielen signifikanten Stellen angeben, können deshalb geringfügig von heutigen Werten abweichen.
Die Wattstunde war nie mehrdeutig, da sie sich per Definition und nicht durch Messung aus Sekunde und Joule ergibt. Eine 1920 abgelesene Kilowattstunde bedeutet genau dasselbe wie heute.
Da jede hier behandelte Einheit exakt in Joule definiert ist, ist die Umrechnung zwischen zweien von ihnen exakte Rechnung. Das Joule ist die natürliche Brücke: hinein umrechnen, dann wieder heraus. Eine Kilowattstunde entspricht 860,4 Kilokalorien. Eine Kilokalorie entspricht 1,163 Wattstunden. Das Elektronenvolt ist zu klein, um sich mit beiden sinnvoll vergleichen zu lassen, und genau darum gibt es alle drei Einheiten.
Alle Energieeinheiten dieser Website finden Sie im Archiv der Energieeinheiten, oder Sie sehen ihr Verhältnis zum Joule und seinen Vorsätzen im SI-Einheitensystem.