Vissa enheter hör inte till något måttsystem alls. De är varken SI, brittiska eller amerikanska. De skapades för ett enskilt fackområde, de passar det områdets storheter, och de överlevde för att ett byte skulle göra vardagens tal svårare att läsa i stället för lättare. Kalorin, wattimmen och elektronvolten är de tydligaste exemplen, och alla tre mäter energi.
Energin drar till sig sådana enheter eftersom den spänner över ett utomordentligt omfång. Att bryta en enda kemisk bindning rör sig om ungefär 10-19 joule. Ett hushålls dagliga elförbrukning rör sig om ungefär 107. Det är tjugosex storleksordningar mellan två helt vardagliga mängder. Joulen sitter obekvämt i båda ändarna, så varje område antog en enhet skuren efter sitt eget arbete.
Ett måttsystem är mer än en samling enheter. Det har basenheter, regler för att härleda de övriga och vanligen en uppsättning prefix. SI har alla tre. Enheterna på den här sidan har ingen av dem. Det är enskilda definitioner, var och en fastställd genom en omräkning till joule, utan strukturellt samband sinsemellan.
Internationella byrån för mått och vikt erkänner flera sådana enheter för bruk vid sidan av SI. Några, som litern, timmen och tonnet, är tillåtna för att de är alltför inarbetade för att strykas. Andra, som elektronvolten och astronomiska enheten, är tillåtna för att deras värden bestäms experimentellt och är verkligt användbara. Enheterna här faller i båda kategorierna, och ingen av dem avråds.
Kalorin definierades som den energi som krävs för att höja ett gram vatten en grad Celsius. Den mängden beror något på utgångstemperaturen, vilket är skälet till att flera kalorier med marginellt skilda värden fastställdes genom åren. Den termokemiska kalorin, fastställd till exakt 4,184 joule, är den som används allmänt i dag.
Förvirringen kring enheten handlar helt om skala. Kalorin på livsmedelsförpackningar är inte fysikens kalori. Det är kilokalorin, tusen gånger större, skriven med stort C eller som kcal för att markera skillnaden. En chokladkaka som anges till 250 kalorier innehåller 250 kilokalorier, alltså 250 000 fysikkalorier, ungefär 1,05 miljoner joule. Näringsvärdesetiketter i de flesta länder trycker numera kilojoule bredvid, vilket tar bort tvetydigheten.
Enheten lever kvar inom näringsläran för att talen faller väl ut. Det dagliga energiintaget ligger kring 2000 till 2500 kilokalorier, ett intervall som är lätt att hålla i huvudet. I joule skulle samma siffror bli åtta eller tio miljoner, vilket inte säger något till den som jämför två produkter i en butik.
Wattimmen är den energi som ett effektuttag på en watt levererar under en timme. Eftersom en watt är en joule per sekund och en timme rymmer 3600 sekunder är en wattimme exakt 3600 joule och en kilowattimme exakt 3,6 megajoule.
Det lönar sig att vara noggrann med den åtskillnad enheten vilar på, för det är det oftast förväxlade paret i hela mätläran. Effekt är en takt, hastigheten med vilken energi förbrukas. Energi är den totala mängden. Ett element på 2000 watt drar energi i en fast takt; på tre timmar förbrukar det 6 kilowattimmar. El faktureras på energi och inte på effekt, och därför visar mätaren kilowattimmar.
Enheten dominerar energisektorn i alla skalor. Hushållsräkningar anges i kilowattimmar. Elbilars batterier anges i kilowattimmar, vanligen 40 till 100. Kraftverkens produktion mäts i megawattimmar och den nationella förbrukningen i terawattimmar. Joulen används inte för någon av dessa storheter, trots att den är SI-enheten, eftersom talen skulle bli ohanterliga: ett år av hushållsel är omkring 12 gigajoule, vilket knappast någon kan tolka.
| Situation | Typiskt värde | I joule |
|---|---|---|
| LED-lampa, en timme | 0,01 kWh | 36 000 J |
| Vattenkokare, en kokning | 0,1 kWh | 360 000 J |
| Hushåll, ett dygn | 10 kWh | 36 000 000 J |
| Elbil, full laddning | 60 kWh | 216 000 000 J |
Elektronvolten är den energi en elektron vinner när den passerar en potentialskillnad på en volt. Sedan SI-omdefinitionen 2019 är den exakt: 1,602176634 × 10-19 joule, eftersom elementarladdningen nu är en definierad konstant.
Det är partikel- och atomfysikens arbetsenhet. Kemiska bindningar rör sig om några elektronvolt. Fotoner av synligt ljus ligger mellan ungefär 1,6 och 3,3 elektronvolt. Röntgenstrålning räknas i tusental, skrivet keV. Kärnövergångar i miljontal, skrivet MeV. Partikelacceleratorer når miljarder och biljoner, skrivet GeV och TeV, och Large Hadron Collider arbetar vid 13 TeV. Att använda joule i denna skala skulle innebära att man släpade med en exponent på minus nitton i varje beräkning.
Elektronvolten fyller också en andra uppgift. Genom ekvivalensen mellan massa och energi anger fysiker partiklars massor i elektronvolt dividerat med ljushastigheten i kvadrat, och utelämnar vanligen nämnaren som underförstådd. En elektron är 511 keV, en proton 938 MeV och higgsbosonen omkring 125 GeV. Massor och energier blir därmed direkt jämförbara, vilket har betydelse när de rutinmässigt räknas om till varandra.
Energin är inte den enda storhet med enheter utanför systemet. Flera andra är formellt tillåtna vid sidan av SI utan att ingå i det, och några förekommer på andra ställen på den här webbplatsen.
Tiden är det största undantaget. Minuten, timmen och dygnet är inga SI-enheter och de är inte decimala, och ändå har inget seriöst förslag att ersätta dem gått igenom. Sekunden är SI:s basenhet, och allt ovanför är ärvt från babylonisk sextiotalsräkning. Vinkeln fungerar likadant: grad, bågminut och bågsekund delar cirkeln i 360 och inte i en tiopotens, medan SI-enheten är radianen.
Volym och massa har var sin tillåten utomstående. Litern är exakt en kubikdecimeter, bevarad för att kubikmetern är för stor för hushållsmängder och kubikcentimetern för liten. Tonnet är exakt 1000 kilogram, bevarat av samma skäl i andra änden av skalan. Markarealer har hektaret, 10 000 kvadratmeter, som består för att kvadratkilometern är för grov för en åker och kvadratmetern alldeles för fin.
Trycket har två. Baren är exakt 100 000 pascal och atmosfären exakt 101 325. Båda är bekväma eftersom de ligger nära det vanliga lufttrycket, så att ett värde kring ett genast blir meningsfullt, vilket 101 325 pascal inte är.
| Enhet | Storhet | Exakt SI-värde | Räkna om |
|---|---|---|---|
| Liter | Volym | 0,001 m³ | liter till kubikmeter |
| Ton | Massa | 1000 kg | ton till kilogram |
| Timme | Tid | 3600 s | timmar till sekunder |
| Grad | Vinkel | π/180 rad | grader till radianer |
| Hektar | Area | 10 000 m² | hektar till kvadratmeter |
| Bar | Tryck | 100 000 Pa | bar till pascal |
Den gemensamma tråden är läsbarhet. Varje enhet valdes så att storheterna inom dess område kommer ut som tal mellan ungefär ett och några tusen. Det är i det intervallet mänsklig jämförelse fungerar bäst. En enhet som tvingar varje siffra till vetenskaplig notation gör ett område svårare att tänka i, vilka formella förtjänster den än har.
Tröghet spelar också in, och det är inte bara envishet. Decennier av publicerade mätningar, kalibreringar av utrustning, faktureringssystem och regelverk är uttryckta i dessa enheter. Att ändra dem skulle upphäva läsbarheten hos hela det befintliga beståndet utan någon vinst i noggrannhet, eftersom omräkningarna är exakta.
Det som försvunnit är tvetydigheten. Varje enhet här är i dag definierad som ett exakt antal joule, så inget går förlorat vid övergången mellan dem. Så har det inte alltid varit. Särskilt kalorin hade flera konkurrerande definitioner långt in på 1900-talet, och äldre källor kräver försiktighet.
| Enhet | Symbol | Värde i joule | Räkna om |
|---|---|---|---|
| Elektronvolt | eV | 1,602176634 × 10-19 | elektronvolt till joule |
| Kalori | cal | 4,184 | kalorier till joule |
| Wattimme | Wh | 3600 | wattimmar till joule |
| Kilokalori | kcal | 4184 | kilokalorier till joule |
| Kilowattimme | kWh | 3 600 000 | kilowattimmar till joule |
Den vanligaste förväxlingen med dessa enheter ligger inte i omräkningen utan i själva storheten. Kilowatt och kilowattimme låter lika och mäter olika saker. Kilowatten är effekt, energi per tidsenhet. Kilowattimmen är energi, effekt gånger tid. En värmepump på 5 kilowatt förbrukar 10 kilowattimmar på två timmar.
Vid solcellsanläggningar dyker samma par upp sida vid sida: anläggningen har en toppeffekt i kilowatt-peak och levererar per år en energimängd i kilowattimmar. Båda talen beskriver samma anläggning och får inte jämföras. Den som granskar en offert gör klokt i att först avgöra om en uppgift anger en takt eller en mängd, innan den räknas om.
Historiska tal i dessa enheter kräver uppmärksamhet, eftersom kalorin definierats flera gånger. Den termokemiska kalorin om exakt 4,184 joule är i dag norm, men de internationella ångtabellernas kalori är 4,1868 joule, 15-graderskalorin omkring 4,1855 och medelkalorin omkring 4,190. Spridningen håller sig under en kvarts procent, betydelselös inom näringsläran och betydande i noggrann termokemi. En källa publicerad före omkring 1950 bör kontrolleras för vilken kalori som avses.
Elektronvolten har den motsatta historien. Dess värde berodde på mätningar av elementarladdningen och förbättrades därför stadigt och förflyttades i sina sista siffror vid varje revidering av naturkonstanterna. Sedan 2019 är det exakt och kommer inte att ändras igen. Äldre arbeten som anger energier med många värdesiffror kan därför avvika något från dagens värden.
Wattimmen har aldrig varit tvetydig, eftersom den följer av sekunden och joulen per definition och inte genom experiment. En kilowattimme avläst 1920 betyder exakt vad den betyder i dag.
Eftersom varje enhet här är definierad exakt i joule är omräkning mellan två av dem exakt aritmetik. Joulen är den naturliga bryggan: räkna om till den och sedan ut igen. En kilowattimme är 860,4 kilokalorier. En kilokalori är 1,163 wattimmar. Elektronvolten är för liten för att jämföras meningsfullt med någondera, och just därför finns alla tre enheterna.
Du kan bläddra bland alla energienheter på webbplatsen från arkivet över energienheter, eller se deras förhållande till joulen och dess prefix i SI-systemet.