Joule Nedir? Enerji Birimi ve Kullanım Alanları

Enerji, evrendeki tüm fiziksel olayların temelinde yer alır. Kinetik, potansiyel, ısı, elektrik ve kimyasal enerji gibi farklı türlerde karşımıza çıkan bu kavramı anlamak; hem günlük yaşamda hem de bilimsel çalışmalarda dünyayı daha doğru yorumlamayı sağlar. Enerjiyi ölçmek için kullanılan joule, farklı enerji türlerini ortak bir paydada buluşturan temel ölçü birimlerinden biridir.

Bu yazıda, enerji ölçümünde sıkça kullanılan joule biriminin ne olduğunu, nasıl hesaplandığını, hangi alanlarda kullanıldığını ve enerji verimliliğiyle ilişkisini detaylı şekilde ele alıyoruz.

Ünlü İngiliz fizikçi James Prescott Joule’ün enerji, özellikle de termodinamik ve ısı enerjisi üzerine gerçekleştirdiği çalışmalarını onurlandırmak adına enerji birimine Joule’ün adı verilmiştir. Gelin, enerji birimi joule’e yakından bakalım.

Joule Nedir? Tanımı ve Tarihçesi

Joule (J), enerji, iş ve ısı miktarını ölçmek için kullanılan Uluslararası Birimler Sistemi’ne (SI) ait temel enerji birimidir. Bir cismin üzerine uygulanan kuvvet sonucu ortaya çıkan enerji miktarını ifade eder ve elektrik, mekanik ile termal sistemlerde yaygın olarak kullanılır.

Bu tanım, joule’ün farklı fizik alanlarında neden ortak bir ölçü birimi olarak kullanıldığını açıkça ortaya koyar. (J) ile gösterilen joule farklı şekillerde ifade edilebilir. Bir nesneyi, 1 newtonluk kuvvet ile 1 metre boyunca hareket ettirilmesi sonucu yapılan iş 1 joule olarak ifade edilir. Aynı zamanda 1 amperlik elektrik akımının 1 ohm’luki dirençten geçerken ısı olarak ortaya çıkan enerji de 1 joule’dür. Başka bir açıdan ise 1 watt’lık güç kaynağının bir saniyede (1 watt-saniye) verdiği enerji miktarı da 1 joule’dür. Termal enerjiyi ölçmek için de kullanılan joule birimi için ise 1 kalori ısı 4,186 J değerine eşit gelir.

Söz konusu joule olduğunda ismini aldığı İngiliz fizikçi James Prescott Joule’den bahsetmemek olmaz. 1818-1889 yılları arasında yaşayan James Prescott Joule, ısının mekanik iş ile olan ilişkisi üzerine gerçekleştirdiği çalışmalarla tanınır. Onun bu çalışmaları neticesinde enerjinin korunumu ve termodinamiğin birinci yasası doğrulanmıştır. Aynı zamanda gerçekleştirdiği diğer çalışmalar neticesinde de bugün Joule kanunu olarak bilinen bir direnç üzerinden geçen elektrik akımının ısı yaydığı gerçeğini keşfetmiştir.

Joule'ün Fizik ve Enerjideki Önemi

Joule kavramı, fizikte birçok farklı alanda kullanılır ve oldukça geniş sayılabilecek bir kullanım alanına sahiptir. Potansiyel enerji, kinetik enerji, termal enerji, elektriksel enerji ve kimyasal enerji gibi farklı enerji türlerini ifade etmek için joule birimi kullanılır. Bu nedenle mekanik sistemlerin işleyişinden termodinamik sistemlerde ısı değişimlerinin ifadesine kadar fiziğin çeşitli alanlarında joule kavramından destek alınır. Joule kavramının bu ortak kullanımı sayesinde fizikte standart ve tutarlı bir karşılaştırma ve hesaplama için temel oluşturur.

Mekanik Sistemlerde Joule

Mekanik sistemler ele alındığında, joule kavramı sayesinde enerjinin dönüşümünü çok daha iyi bir şekilde anlayabilirsiniz. Mekanik sistemlerde yapılan iş yer çekimine karşı olabileceği gibi aynı zamanda bir yayı sıkıştırmak gibi farklı amaçlı da olabilir. Joule tüm bu yapılan işleri ve harcanan enerjiyi ifade eder.

Termodinamikte Joule

Termodinamikte ise joule kavramı maddelerin ısıtılması ve soğutulması süreçlerinde ısı transferini ve enerji değişimini ifade etme konusunda yardımcı olur. Fizikçiler ise bu sayede termodinamiğin birinci yasasına dayanarak hesaplamalar yapabilirken aynı zamanda maddelerin termal özellikleri üzerine tutarlı çalışmalar yürütebilir.

Elektrik Enerjisinde Joule

Joule kavramının yaygın olarak kullanıldığı alanlardan biri de elektrik enerjisidir. Bir sistemde depolanan elektrik enerjisinin hesaplanmasından enerji verimliliğinin değerlendirilmesine kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu yönüyle joule, farklı fizik disiplinleri arasında ortak bir ölçüm dili oluşturur.

Joule Hesaplama ve Dönüşüm Formülleri

Joule’ün türetilmiş bir birim olması onun farklı birimlerde yapılan ölçümler üzerinden gerçekleştirilen hesaplamalar ile ortaya konabileceğini ifade eder. Enerjiyi ifade eden joule değerini bulabilmek için bir takım formüller kullanmanız gerekir. Joule hesaplama için kullanılan temel formül şu şekildedir:

Joule = m . N = m x kg x m / s2  = m2 x kg / s2

İş ve Kuvvet ile Joule Hesabı

• Joule cinsinden yapılan işi bulabilmek için newton cinsinden uygulanan kuvvetin ve kuvvet neticesinde alınan mesafenin metre cinsinde bilinmesi gerekir. Ardından şu formül ile yapılan işi joule türünden hesaplayabilirsiniz:

İş (joule) = Kuvvet (newton) x Mesafe (metre)

Elektrik Enerjisinde Joule Hesabı

• Joule aynı zamanda enerjiyi ifade eder. Herhangi bir elektrik devresindeki enerjiyi hesaplamak için ise watt cinsinden güç değerine ve saniye cinsinden zamana ihtiyacınız vardır. Ardından aşağıdaki formül ile joule cinsinden enerjiyi hesaplayabilirsiniz.

Enerji (joule) = Güç (watt) x Zaman (saniye)

Kinetik Enerji Hesabı

• Kinetik enerji joule cinsinden hesaplanmak istediğinde ise ağırlık cinsinden kütle ve m/s cinsinden hız değeri kullanılarak aşağıdaki formül uygulanabilir.

Kinetik Enerji (joule) = ½ x Kütle (kilogram) x Hız2

                                    = ½ x Kütle (kilogram) x (metre/saniye)

Isı ve Sıcaklık Değişimi Hesabı

• Sıcaklık değişimi de joule cinsinden ifade edilebilir. Bunu hesaplayabilmek için ise kilogram cinsinden kütlenin yanı sıra santigrat veya kelvin cinsinden sıcaklık değişimi gerekir. Aynı zamanda maddeye göre değişen bir sabit olan özgül ısı kapasitesi değerine de ihtiyacınız olacaktır. Ardından aşağıdaki formülü uygulayarak joule türünde sıcaklık değişimi hesaplanabilir.

Sıcaklık Değişimi (joule) = Kütle (kilogram) x Özgül Isı Kapasitesi (c) x Sıcaklık Değişimi (oC, K)

Joule Birimi Dönüşümleri

Joule, farklı enerji birimlerine dönüştürülebilir. En yaygın dönüşümler şunlardır:

• 1 kilowatt-saat (kWh) = 3.600.000 joule
• 1 kalori (cal) = 4,181 joule
• 1 BTU = 1.055 joule

Joule Türündeki Değerlerin Dönüşümü

Joule türündeki enerjiyi watt, kalori, BTU, kWh gibi birçok birime dönüştürmeniz mümkündür. Ancak joule dönüşümü gerçekleştirmek için özel olarak geliştirilmiş uygulamaları kullanarak daha sağlıklı ve hatasız sonuçlar elde edebilirsiniz. En çok kullanılan ilgili birimlerin joule karşılıkları ise şöyledir:

• 1 kilowatt-saat (kWh) = 3.6 milyon joule
• 1 kalori (cal) = 4.181 joule
• 1 İngiliz Isı Birimi (BTU) = 1055 joule

Joule ile İlgili Temel Kavramlar

Joule kavramını daha iyi anlayabilmek için ilişkili olduğu diğer kavramlar hakkında da yeterli bilgiye sahip olmalısınız. Öncelikle iş kavramıyla başlayalım. Burada söz konusu olan iş, bir cismin dış kuvvet etkisiyle belirli bir mesafe boyunca hareket ettirilmesi sonucu oluşan enerji transferidir. İş, kuvvet ve yer değiştirmenin çarpımı ile bulunabilir.

Bir joule, bir newtonluk kuvvetin bir nesneyi uygulanan kuvvet yönünde bir metre ötelenmesi durumunda yapılan işi ifade eder. Kısacası bir joule değeri bir newton-metreye eşittir. Newton ise kuvveti ifade etmek için kullanılan SI birimidir. Bir kilogramlık kütleyi bir metre/saniye hızla hareket ettirmek için gereken kuvveti ifade eder.

Termodinamik alanında da ısı transferi ve enerji değişiminin ifade edilebilmesi için joule kullanılır. Bu nokta da ise karşılaşabileceğiniz bir başka kavram kaloridir. Isıyı ölçmek için kullanılan enerji birimi olan kalori, 1 gram suyun sıcaklığını 1 santigrat derece artırmak için gereken enerji miktarıdır. Joule karşılığı ise 4.181 J’dir.

Mekanik sistemlerin ve termodinamiğin yanı sıra joule elektrik enerjisini ifade etmek için de kullanılır. Elektrik sistemlerinde güç watt cinsinden ölçülür. 1 joule ise 1 watt’ın 1 saniyede aktardığı enerji miktarıdır.

Günlük Hayatta Joule Kullanım Alanları

Günlük hayatta joule değerini bugüne kadar hiç kullanmamış olabilirsiniz. Yine de birçok farklı alanda enerji hesaplamada joule biriminin kullanıldığını da göz ardı etmemelisiniz. Özellikle paketli gıdaların arkasında yer alan besin değerlerine bakarsanız kcal ve KJ değerleriyle karşılaşabilirsiniz. Aynı zamanda joule türünden enerjinin günlük hayattaki kullanımına dair ilgi çekici bazı örnekler şunlardır:

Ortalama büyüklükteki elma veya domatesi, yerden 1 metre yukarı kaldırmak için gereken enerji 1 joule’dür.

1 watt’lık LED’i 1 saniye çalıştırmak için 1 joule enerji gerekir.

Bir bardak suyu masadan alıp ağzınıza götürmek için harcayacağınız enerji yaklaşık olarak 1 joule’dür.

Bir gram suyun sıcaklığını 0oC’den 1oC’ye çıkarmak için gereken ısı enerjisi 4.184 joule’dür.

Profesyonel bir beyzbol atıcısı tarafından fırlatılan topun kinetik enerjisi yaklaşık 230 joule’dür.

Sadece bir gram benzinin havada yanması 50 kJ enerji açığa çıkarır.

Enerji Verimliliğinde Joule Takibi

Enerji kullanımında günümüzün en önemli konu başlıklarından biri de enerji verimliliğidir. Enerji verimliliği, belirli bir işin çok daha az enerji harcanarak gerçekleştirilmesini hedefler. Çevresel sürdürülebilirliği sağlamanın yanı sıra enerji tüketimini minimize ederek ekonomik açıdan da tasarruf sağlanabilir.

Enerji verimliliğinin fosil yakıtlara olan ihtiyacın azaltılmasından tutun iklim değişikliğiyle mücadelede güç kazanılmasına kadar birçok çevresel etkisi bulunur. Ancak bu etki sadece çevreyle sınırlı değildir. Enerji verimliliği sayesinde enerji maliyetleri çok daha aşağılara çekilebilir. Bu durum bireysel kullanıcıların bütçelerine pozitif etki olarak yansırken işletmeler için ise araştırma ve geliştirme ya da farklı alanlar için kaynak yaratılması anlamına gelir. Böylelikle işletmeler büyümek için kendi fırsatlarını yaratabilir.

Enerji verimliliği ile joule arasındaki ilişki ise enerji tüketimini ve kaybını hesaplarken ortaya çıkar. Bir sistemde enerji verimliliği sağlanabilmesi için enerjinin tam olarak nereye gittiği bilinmelidir. Enerjinin ne kadarlık kısmının kullanılabildiği ve ne kadarlık kısmının ise kayıp olarak değerlendirilmesi gerektiği hesaplanabilmelidir.

Enerji verimliliğini yüzde olarak hesaplamak için yapılması gereken ise enerji çıktısını, enerji girişine bölmektir. Böylece enerji verimlilik oranınızı hesaplayabilirsiniz. Bu değeri yüzde şeklinde ifade edebilmek için ise 100 ile çarpmanız yeterlidir.

• Enerji Verimliliği = Enerji Çıkışı / Enerji Girişi
• %Enerji Verimliliği = Enerji Çıkışı / Enerji Girişi x 100

Enerji verimliliği ölçümünü tek bir cihaz ve ekipmana uygulayabileceğiniz gibi aynı zamanda tüm bir sisteme de uygulayabilirsiniz. Örnek üzerinden devam edecek olursak;

Fabrikada yer alan bir ekipmanın 500 joule enerji girişine karşılık 300 joule çıktı verdiğini varsayalım. Hesaplama şu şekilde olacaktır:

Enerji Verimliliği = 300 / 500 x 100 = %60 verimlilik oranı hesaplanır. Böylelikle ekipmanın enerji verimliliği %60 olarak ifade edilebilir.

Peki enerjideki kayıp nerede yaşanıyor? Elektrik sistemlerinde enerjinin büyük bir kısmı ısı enerjisi olarak kaybolacaktır. Bunu kullandığınız elektrikli aletlerin ve ampullerin zamanla ısınmasıyla deneyimleyebilirsiniz. Akkor veya filament olarak da bilinen ampullerde harcanan her 100 joule enerjinin 10’u ışık enerjisine dönüşürken 90’ı ise ısı enerjisi olarak ortama dağılır. Hızlı bir hesaplama ile örnekteki akkor ampullerin verimliliğini %10 olarak hesaplayabilirsiniz. Başka bir deyişle aydınlatma için harcanan her 10 liranın 9’unu boşa harcıyorsunuz anlamına gelir. Bu da enerji verimliliği düşük cihazların çevreye ve ekonomiye olan etkisini ortaya koyar.

Enerji birimi joule özellikle enerji verimliliği hesaplanmasında sıklıkla kullanılan bir kavramdır. Peki siz evinizde veya iş yerinizde enerji verimliliği konusunda adımlar atıyor musunuz? Yorumlarda bu konu hakkındaki düşüncelerinizi bizlerle paylaşmayı unutmayın.