Der Energie-Einheiten-Zoo: Joule, Kalorien, BTU, kWh und Therm

Eine Größe, sieben Namen

Energie ist eine einzige physikalische Größe, aber fast keine Branche misst sie in der SI-Einheit. Die Physik nutzt das Joule, die Ernährungswissenschaft die Kalorie, das US-amerikanische Heizungs- und Klimawesen die BTU, Stromrechnungen die Kilowattstunde, Erdgasrechnungen den Therm oder zunehmend die kWh. Keine dieser Einheiten ist falsch, und die Umrechnung zwischen ihnen ist genau überall dort, wo eine Einheit ein definiertes Verhältnis zum Joule hat – was nicht auf alle zutrifft, denn "Kalorie" allein verbirgt drei verschiedene Definitionen.

Das Joule: die SI-Einheit, in der niemand abrechnet

Das Joule (J) ist die SI-Einheit der Energie, definiert als eine Newton-Kraft über einen Meter angewendet, oder äquivalent ein Watt über eine Sekunde aufrechterhalten. Es ist die Einheit, auf die alle anderen Einträge in diesem Artikel zurückführbar sind, und die Einheit, die fast keine verbraucherseitige Rechnung oder Lebensmitteletikett direkt nutzt, weil ein Joule klein ist: die tägliche Nahrungsenergieaufnahme eines typischen Erwachsenen, etwa 2.000 Kalorien, entspricht etwa 8,4 Millionen Joule.

Das Kalorienprobleme: ein Wort, drei Definitionen

"Kalorie" ist eigentlich eine Familie von Einheiten, ursprünglich alle definiert als ungefähr die Energie, die benötigt wird, um ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen, aber standardisiert bei drei leicht unterschiedlichen exakten Werten, weil die Wärmekapazität von Wasser selbst leicht mit Temperatur und Druck variiert:

Die Spanne zwischen der größten und kleinsten der drei ist klein, etwa 0,03%, weshalb die beiläufige Verwendung damit davonkommt, "Kalorie" als eine Sache zu behandeln. Es ist aber nicht: eine Kalorie eines Chemikers und die Dampftabel-Kalorie eines Ingenieurs sind zwei verschiedene, unabhängig fixierte Konstanten, die sich einfach nur extrem ähnlich sind.

Die Nahrungskalorie: eine Kilokalorie unter anderem Namen

Die "Kalorie" auf einem Nährwertkennzeichen (konventionell groß geschrieben, um es zu unterscheiden, obwohl das Etikett sich selten damit befasst) sind 1.000 thermochemische Kalorien, eine Kilokalorie: 1 Cal = 1 kcal = 4.184 J genau. Die Ernährungswissenschaft übernahm die thermochemische Grundlage, nicht die Internationale Tabelleneinheit, weil die Messung der Lebensmittelenergie aus der Kalorimetrie und Chemie des 19. und frühen 20. Jahrhunderts hervorgegangen ist, nicht aus der Dampftechnik. Ein "250 Kalorien"-Eintrag auf einem Etikett entspricht daher 250 × 4.184 J = 1.046.000 J, fast genau 1,05 MJ.

Die BTU: das imperiale Gegenstück der Kalorie mit der gleichen Aufspaltung

Die britische Wärmeeinheit erbt die gleiche Gabelung wie die Kalorie, weil sie ursprünglich auf die gleiche Weise definiert wurde, als ungefähr die Energie, die benötigt wird, um ein Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit zu erwärmen, und bei leicht unterschiedlichen exakten Werten standardisiert wurde, je nachdem welche Wassertemperatur-Referenz und welcher SI-Umrechnungspfad verwendet wurde:

Ein US-amerikanisches Klimagerät mit der Bezeichnung "12.000 BTU" (eine "1-Ton"-Einheit, in der eigenen unabhängigen und unzusammenhängenden Verwendung von "Ton" für Kühlleistung durch HVAC) bedeutet 12.000 Btu_IT pro Stunde: 12.000 × 1.055,05585262 J = 12.660.670 J pro Stunde, oder 3,517 kW – eine Umrechnung, die sich zu tun lohnt, weil HVAC-Geräte weltweit zunehmend mit sowohl BTU/h als auch Watt nebeneinander bewertet werden.

Die kWh: die einzige, die ein exaktes SI-Vielfaches ist

Die Kilowattstunde braucht überhaupt keine separate Definition: sie ist 1.000 Watt über 3.600 Sekunden aufrechterhalten, daher 1 kWh = 3.600.000 J = 3,6 MJ genau, ohne Rundung oder historische Mehrdeutigkeit irgendwo in der Kette. Sie überlebt auf Stromrechnungen nicht, weil es die SI-saubere Wahl wäre – das wäre das Joule – sondern weil ein Joule viel zu kleine eine Einheit für die Haushaltsabrechnung ist: ein typischer US-Haushalt verbraucht etwa 30 kWh pro Tag, was 108.000.000 J entspricht, eine unhandliche Zahl zum Drucken auf einer Rechnung.

Der Therm: US- und UK-Versionen unterscheiden sich, still

Ein Therm ist definiert als 100.000 BTU und erbt die BTU-Aufspaltung, ohne dass es die meisten Benutzer bemerken. Der US-Therm, von der DOE und Gasversorgern verwendet, ist definiert als 100.000 × Btu(59°F) = 105.480.400 J genau. Der UK-Therm, in Gesetzgebung vor dem Umschalten der UK-Gasabrechnung auf kWh festgelegt, wurde als 100.000 × Btu_IT ≈ 105.505.600 J definiert. Die beiden Therme unterscheiden sich um etwa 0,02%, trivial für jeden praktischen Zweck, aber es ist das gleiche Muster, das auf der ganzen Website bei benutzerdefinierten Einheiten zu sehen ist: zwei Behörden definieren "die gleiche" Einheit von zwei leicht unterschiedlichen Basiskonstanten, wobei zwei Zahlen entstehen, die nah genug beieinander liegen, um unbemerkt zu bleiben, und weit genug auseinander, um nicht wirklich gleich zu sein. UK-Haushaltsgas-Rechnungen wechselten ab den 1990er Jahren weitgehend von Therms zu kWh, nach metrischen Gasmessern; die US-Gasindustrie rechnet heute noch in Therms ab.

Alle sieben, umgerechnet in Joule

Warum jede Industrie ihre eigene Einheit beibehielt

Keine davon überlebt durch Zufall. Chemiker behielten die Kalorie bei, weil Reaktionsenergiedaten über ein Jahrhundert hinweg darin tabellarisch aufgelistet sind. US-amerikanisches HVAC behielt die BTU bei, weil Geräte-Bewertungen, Kanalgrößenanpassungs-Charts und Baugesetze alle darin geschrieben sind, und ein Wechsel bedeutete, dass Jahrzehnte von Hardware-Dokumentation neu zertifiziert werden müssten, nicht nur ein Spec-Sheet umetikettiert werden könnte. Versorgungsbetriebe behielten die kWh bei, weil Meter bereits gebaut waren, um Wattstunden direkt, billig zu lesen, Jahrzehnte bevor jemand für "Megajoule" eine Abrechnung hätte haben können, wäre es dem Kunden verständlich gewesen. Einheiten-Fragmentierung in Energie ist eine Fragmentierung der installierten Basis und der legalen Metrologie, nicht eine Fragmentierung der Physik – das Joule unter all diesen Zahlen ist das gleiche Joule.