Калория это в физике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Диетологи советуют подсчитывать калории, получаемые от еды, сверяясь со специальными табличками энергетической ценности продукта. А что такое калория и как определяется энергетическая ценность?

Ответ

Слово "калория" происходит от латинского "calor" - "тепло".

Калория - это устаревшая (внесистемная) единица измерения энергии (количества теплоты, работы), которая раньше широко использовалась в физике, теплотехнике, энергетике, а теперь, по сохраняющейся пока традиции, используется при оценке энергетической ценности (калорийности) пищевых продуктов и в некоторых других случаях. Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) настаивает на скорейшем изъятии калории из обращения, но традиции пока сильны и калория своим присутствием продолжает нервировать учёных. (Калория ведёт своё происхождение от времён, когда в науке господствовало представление о некой гипотетической субстанции - теплороде. От теплорода давно отказались, поняв природу теплоты, а калория до сих пор осталась. "Теплород" - по латыни calorie. )

В Международной системе единиц физики используют другую единицу энергии, работы и количества теплоты - джоуль (обозначается Дж). Если сила в 1 ньютон переместила тело в направлении действия силы на расстояние 1 метр, то говорят, что совершена работа в 1 джоуль (или, что то же самое, затрачена энергия в количестве 1 джоуль). Тысяча джоулей равна одному килоджоулю: 1000 Дж = 1 кДж.

Миллион джоулей равен одному мегаджоулю: 1000000 Дж = 1 МДж.

Все расчёты потребляемой или генерируемой мощности двигателей, турбин, реакторов, генераторов, нагревателей основываются именно на джоуле, но никак не на калории. Например, мощность пылесоса или аудиоколонки указывается в ваттах (1 Вт = 1 Дж/1 с).

Что же такое калория?

1 калория - это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия при стандартном атмосферном давлении 101 325 Па.

Но нагревать воду можно при разной начальной температуре. Как оказалось, затрачиваемое на нагревание количество теплоты зависит от начальной температуры воды. Так, при нагревании 1 грамма воды от температуры 14,5°С до температуры 15,5°С необходимо затратить 4,1855 Дж энергии. Эта единица калории называется 15-градусной калорией (обозначается кал₁₅ или cal₁₅). Есть ещё 20-градусная калория равная 4,182 Дж. Есть целая куча других калорий (международная, термохимическая, 4-градусная). Значения их в джоулях не сильно различаются между собой, но всё же различаются, что создаёт трудности в унификации расчётов. Единственным выходом является полный отказ от использования калории и повсеместный переход к джоулю.

Кстати, на этикетках продуктов энергетическая ценность уже указывается параллельно в калориях и в джоулях. Осталось законом отменить калории. Но этому мешает обычная инерция мышления: диетологи и производители продуктов, да и потребители не хотят менять свои привычки. Заметим, что калория - это маленькая величина и поэтому используется в тысячу раз большая величина - килокалория, которую диетологи иногда называют "Калорией" с большой буквы или "большой калорией", или "пищевой калорией", что вносит ещё большую путаницу.

На практике энергетическую ценность пищевых продуктов изначально измеряли, сжигая их в калориметре (100 гр продукта) и измеряя выделившуюся энергию (такая же примерно энергия выделяется в организме человека в процессе пищеварения). Сегодня пользуются уже готовыми таблицами, в которых указана энергетическая ценность отдельных химических составляющих продукта. Намного легче определить количество в продукте белков, углеводов, жиров, а потом произвести обычное умножение и сложение, согласно следующим коэффициентам:

Кало́рия (кал, cal) — внесистемная единица количества работы и энергии, равная количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 кельвин при стандартном атмосферном давлении 101 325 Па. В зависимости от принимаемой эталонной температуры воды, существует несколько слегка различных определений калории:

1 кал_м = 4,1868 Дж (1 Дж ≈ 0,2388459 кал_м) — международная калория, 1956 г.; 1 кал_т = 4,184 Дж (1 Дж = 0,23901 кал_т) — термохимическая калория; 1 кал₁₅ = 4,18580 Дж (1 Дж = 0,23890 кал₁₅) — калория при 15 °C. 1 кал ≈ 2.6132·10 19 эВ. 1 ккал = 1000 кал. 1 ккал = 1,163 ватт час

Производная от калории единица измерения количества тепловой энергии — гигакалория (Гкал) (10 9 калорий) используется для оценки в теплоэнергетике, системах отопления, коммунальном хозяйстве. Также для этих целей используется производная единица Гкал/ч (гигакалория в час), характеризующая количество теплоты произведённой или использованной тем или иным оборудованием за единицу времени. Данная величина эквивалентна тепловой мощности.

Калорийность

Питательное вещество	Кило- калорий на грамм
Углеводы	4
Белки	4
Жиры	9

Этимология

При расчёте задач в современной физике единицей измерения энергии и теплоты является джоуль. Эта единица измерения введена в \(1889\) году.

Калорию как единицу измерения тепла предложил Йохан Карл Вильке (\(1732\)-\(1796\)) — шведский физик-экспериментатор. Он измерил удельную теплоёмкость твёрдых тел в \(1772\) году. Более века калория являлась единственной признанной наукой единицей измерения количества тепловой энергии.

Однако задолго до появления этого термина были сконструированы первые калориметры — приборы для измерения теплоты .

Первый калориметр изобрёл английский химик (рис. 2 ) Джозеф Блэк и в \(1759—1763\) годах с его помощью определил теплоёмкости разных веществ, скрытую теплоту плавления льда и испарения воды.

Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские учёные (рис. 3 , 4 ) Антуан Лоран Лавуазье (\(1743—1794\)) и Пьер Симон Лаплас (\(1749—1827\)).

В \(1780\) году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию.

Это понятие встречается ещё в \(XVIII\) веке в трудах шведского физика (рис. 5 ) Иоганна Карла Вильке (\(1732—1796\)), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.

Первый калориметр был ледяным (рис. 6 ). Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лёд не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лёд. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.

Этот прибор позволил Лавуазье и Лапласу измерить теплоту многих химических реакций: сгорания угля, водорода, фосфора, чёрного пороха. Своими работами они заложили основы термохимии и сформулировали её основной принцип:

Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя своё состояние, происходят в обратном порядке, когда система вновь возвращается в своё первоначальное состояние.

Иными словами, чтобы разложить воду на водород и кислород, надо затратить столько же энергии, сколько выделяется при реакции водорода с кислородом с образованием воды.

В том же \(1780\) году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от её дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии.

Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счёт которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.

В \(XIX\) веке благодаря стараниям знаменитого французского химика (рис. 7 ) Марселена Бертло (\(1827—1907\)), который опубликовал более 200 работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы — водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба (рис. 8 ).

Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нём можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях — горении и взрыве.

Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.

В похожем калориметре в тридцатых годах \(XIX\) века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик (рис. 9 ) Юстус фон Либих (\(1803—1873\)), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища — это топливо для организма, как дрова для печки.

Либих назвал эти дрова: белки, жиры и углеводы. Он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. На основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером (рис. 10 ) составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.

Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик (рис. 11 )Уилбур Олин Этуотер (\(1844—1907\)).

Этуотер первым додумался измерять энергоёмкость компонентов пищи и придумал схему подсчёта калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (\(1869—1871\)) Этуотер провёл в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.

Сегодня Этуотера называют отцом диетологии. Значения калорийности углеводов (\(4\) ккал/г), белков (\(4\) ккал/г) и жиров (\(9\) ккал/г) впервые экспериментально получил Этуотер. Но и теперь, спустя сто двадцать лет, диетологи используют эти цифры при подсчёте энергетической ценности продуктов питания. Система Этуотера по сей день лежит в основе маркировки продуктов. И в этом смысле, как верно подметил кто-то из журналистов, Уилбур Этуотер — самый цитируемый учёный в мире.

Ответ

Слово "калория" происходит от латинского "calor" - "тепло".

Миллион джоулей равен одному мегаджоулю: 1000000 Дж = 1 МДж.

Что же такое калория?

Нигде и никогда прежде я не видела такого количества огромных, тучных людей, как в штате Техас несколько лет назад. В толпе на улицах Остина я чувствовала себя дистрофиком.

Подробные статистические данные по России найти нелегко. Часто пишут о 15–16% взрослого населения, но эти цифры относятся, вероятно, к началу 2000-х. В декабре 2012 года директор НИИ питания РАМН, главный диетолог Минздрава РФ В. А. Тутельян сообщил на пресс-конференции, что ожирением страдают более 25% россиян, избыточный вес наблюдается у 50%. Такое впечатление, что мы изо всех сил опять стараемся догнать Америку.

Ожирение убивает 100–400 тысяч американцев каждый год и обходится американскому обществу в 117 миллиардов долларов. Эти расходы сопоставимы с затратами на решение медицинских проблем, связанных с курением и алкоголизмом.

В чем же дело? Только ли в переедании, о котором писал Гэлбрейт? Грег Крицер в своей книге анализирует возможные причины, политические, социальные и экономические. Например, когда цены на продукты питания в 70-х годах достигли пика, президент Ричард Никсон потребовал принять меры. В результате реформ министра сельского хозяйства Эрла Буца были сняты ограничения на импорт дешевого пальмового масла, а из кукурузы было дозволено делать с помощью новых технологий сладкий глюкозо-фруктозный сироп. Эти дешевые, но высококалорийные продукты стали использовать при изготовлении подавляющего большинства продуктов питания, чтобы сделать их доступными.

Калория и калориметр

Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские ученые Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) и Пьер Симон Лаплас (1749–1827). В 1780 году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию. Это понятие встречается еще в XVIII веке в трудах шведского физика Иоганна Карла Вильке (1732–1796), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.

Устройство, которое впоследствии начали называть калориметром, Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. Тогда еще не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения. Первый калориметр был ледяным. Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лед не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лед. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.

В том же 1780 году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от ее дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии. Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счет которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.

В XIX веке благодаря стараниям знаменитого французского химика Марселена Бертло (1827–1907), который опубликовал более 200 работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы — водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба. Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нем можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях — горении и взрыве. Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.

Видимо, в похожем калориметре в тридцатых годах XIX века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих (1803–1873), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища — это топливо для организма, как дрова для печки. Причем Либих назвал эти дрова: белки, жиры и углеводы. Он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. На основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.

Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик Уилбур Олин Этуотер (1844–1907). Он первым додумался измерять энергоемкость компонентов пищи и придумал схему подсчета калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (1869–1871) Этуотер провел в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.

Основные факторы Этуотера

Однако одной теплоты сгорания недостаточно. Необходимо знать, сколько каждого из этих компонентов содержится в продуктах. Решение было найдено сугубо химическое. С помощью эфира Этуотер экстрагировал жир из измельченного кусочка пищи, вес которого ему был точно известен. А затем определял вес вещества (жира), перешедшего в эфир. Так можно было подсчитать содержание липидов в продукте. Кстати, этот же несложный метод применяют и в наши дни.

С белками пришлось повозиться, поскольку нет анализа, позволяющего определить общее количество белков в том или ином продукте. Однако Этуотер знал, что в среднем около 16% массы белка приходится на азот. Он придумал, как определять количество азота в пище, и через него рассчитывал содержание белка.

С углеводами похожая проблема: определять их общее содержание в пище тогда не умели. Здесь выручила арифметика. Этуотер сжигал навеску пищи и определял количество образовавшегося пепла, содержащего только неорганические вещества. Теперь не составляло труда определить общее содержание органики (исходный вес пищи минус пепел). Вычитая из этого значения массу жира и белка, Этуотер получал содержание углеводов.

Однако не вся съедаемая пища усваивается нашим организмом. Сколько же проскакивает вхолостую? Это важно было знать и учитывать при оценке энергетической ценности продукта. Чтобы ответить на этот вопрос, Этуотеру пришлось обследовать фекалии людей, чей рацион питания был точно известен. По его расчетам оказалось, что в среднем доля неусвоенной пищи составляет не более 10%.

В ХХ веке биохимия питания развивалась чрезвычайно активно, позволяя исследователям получать все новые данные. Уже во второй половине прошлого столетия в систему внесли новые факторы для пищевых волокон (некрахмалистых полисахаридов). Известно, что эта группа веществ усваивается намного хуже углеводов, поэтому их энергетическая ценность была заметно ниже — 2 ккал/г. Удалось даже учесть энергию, которую расходует организм на производство мочи и газов.

В 1955 году общие факторы дополнили конкретными: белок яйца — 4,36 ккал/г, белок коричневого риса — 3,41 ккал/г и т. д. То же и с содержанием азота в белке: вместо среднего показателя в 16% стали использовать конкретные цифры — например, 17,54% для белка макарон и 15,67% для белка молока.

Впрочем, эффект от всех этих мелких уточнений оказался настолько мал, что многие диетологи по-прежнему используют общие факторы Этуотера. Гораздо более серьезные проблемы этой системы связаны с другим.

Неучтенные факторы

Когда мы отправляемся в больницу навестить заболевшего друга или родственника, мы приносим с собой куриный бульон и отварную куриную грудку, или паровые котлетки, или пюре. Не потому, что это вкусно и просто приготовить (кто-то не любит куриные грудки). А потому, что это самое нежное мясо у курицы, где практически нет соединительных тканей. Оно очень мягкое, поэтому легко усваивается, не отбирая у больного лишней энергии на переваривание (она пригодится ему для выздоровления) и давая при этом больше калорий. В этом смысле калорийность куриных грудок выше, чем куриных окорочков.

Крысы перешли на рацион с разными гранулами в возрасте четырех недель. На 22-й неделе различия стали заметны невооруженным глазом. Крысы, питавшиеся мягкой пищей, в среднем весили на 37 граммов (примерно на 6%) больше тех, кого кормили твердыми гранулами, а жира у них было больше в среднем на 30%, что уже классифицируется как ожирение. От мягкой, сильно переработанной пищи крысы толстели, потому что тратили значительно меньше энергии на пищеварение. Получается, что воздушные хлопья калорийнее твердых гранул.

Физическое состояние пищи — это ловушка для системы Этуотера. Он полагал, и это заложено в его системе в качестве одного из основных факторов, что в организме не переваривается 10% пищи, которая выводится с фекалиями. Этуотер думал, что эта величина постоянная и не зависит от консистенции пищи. Возможно, в его времена не было белоснежной муки невероятно тонкого помола. Но сегодня мы знаем, что именно эта мука усваивается на 100%. А если мы едим выпечку из муки крупного помола, то треть ее выводится из организма непереваренной.

Итак, в системе Этуотера не учтен весомый вклад, который вносят в калорийность пищи ее физические свойства и способы приготовления, наконец — метаболический портрет каждого из нас. А значит, мы не можем оценить с помощью этой системы реальную питательную ценность собственного рациона. На прилавках все больше калорийных продуктов, хотя они не выглядят таковыми, если судить по составу и заявленной калорийности на этикетках. Они вводят нас в заблуждение, потому что ничто из того, о чем мы говорили в этой главе, в этих надписях не учтено. А мы тем временем продолжаем толстеть от пищи, которую легко переваривать.

Можно ли все эти дополнительные, но столь важные факторы учесть в системе Этуотера? Чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Методически это невероятно сложная задача. Ведь потребуется провести гигантское количество экспериментов, чтобы получить реальные значения питательной ценности конкретных продуктов, учитывающие их консистенцию, способ приготовления, сочетания с другими продуктами и нашу биохимическую индивидуальность.

Обойдемся без калорий?

А сколько человеку нужно калорий? На этот вопрос, который поставил перед собой Этуотер в самом начале своих исследований, он смог дать исчерпывающий ответ. Вместе со своими коллегами по Веслеанскому колледжу Эдвардом Росой и Френсисом Бенедиктом он сконструировал специальную вентилируемую камеру-калориметр, в которой мог находиться человек, работать и отдыхать. Выделяемое им тепло определяли по разности температур воды, которая протекала через систему трубок, проложенных в камере, — на входе и на выходе. С ее помощью в 1896 году он начал исследовать, сколько энергии человек тратит в состоянии покоя, бодрствования и при разного рода деятельности, сколько потребляет кислорода и сколько производит углекислого газа. Объектами исследования в первую очередь становились его студенты.

На основании результатов этих измерений Этуотер впервые подсчитал баланс между энергией, поступающей в организм с пищей и расходуемой человеком. Он подтвердил, что и в человеческом организме работает закон сохранения энергии: она никуда не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Интересно, что до Этуотера в научных кругах бытовало мнение, будто первый закон термодинамики применим к животным, но никак не к человеку, поскольку человек уникален. Этуотер не только опроверг это заблуждение, но и впервые доказал: если человек не использует полностью энергию, поступающую в его организм с пищей, то она запасается в виде избыточных килограммов.

Этуотер изучал рационы огромного количества самых разных семей разных слоев общества. Анализируя результаты, он с грустью отмечал, что люди все больше едят жирного и сладкого и все меньше двигаются. Уже тогда он говорил о важности дешевой и эффективной диеты, которая включает больше белков, бобов и овощей вместо углеводов.

Этуотер внес огромный вклад в науку о питании. Это не только результаты более 500 научных работ и полутора сотен статей. Он сумел добиться создания Федерального фонда США по исследованию пищи. В 1894 году впервые по законопроекту правительство США ассигновало десять тысяч долларов на исследования пищевых продуктов и рационов. Большую их часть выполнил Этуотер. Спустя сто лет федеральная поддержка этих программ возросла до 82 миллионов долларов. И он предвидел то, что мы начнем толстеть, потому что больше едим и меньше двигаемся. Предвидел в конце XIX века.

Калорийность и химический состав по-прежнему подсчитывают по системе Этуотера, пусть и подправленной в ХХ веке. Да, сегодня мы понимаем, что она дает грубые оценки. Но это лучше, чем ничего.

Судя по всему, скрупулезный подсчет калорий в магазине и ресторане теряет смысл. На что же ориентироваться? На простые правила, которые прошли испытание временем и не нуждаются в корректировке: быть умеренным в еде, больше двигаться, избегать фастфуда и сладких напитков, больше овощей и фруктов, самому готовить домашнюю еду из свежих продуктов. Все это вы знаете не хуже меня.

Читайте также: