Что такое Калория (cal)?
Калория (обозначение: cal), также известная как малая калория или грамм-калория — единица измерения энергии, определяемая как количество теплоты, необходимое для нагрева одного грамма воды на один градус Цельсия при давлении в одну атмосферу. Термохимическая калория равна точно 4,184 джоуля.
Малая калория и пищевая калория
Малую калорию (cal, строчная) необходимо отличать от килокалории или пищевой Калории (Cal или ккал), которая равна 1000 малых калорий. Когда на этикетках продуктов указывают «Калории» (с заглавной буквы), имеются в виду килокалории. Продукт с маркировкой «200 Калорий» содержит 200 000 малых калорий или 200 килокалорий.
Несколько определений
Существует несколько немного различающихся определений калории: термохимическая калория (ровно 4,184 Дж), международная табличная калория (ровно 4,1868 Дж) и 15-градусная калория (приблизительно 4,1855 Дж, определённая при 14,5–15,5 °C). Термохимическая калория наиболее распространена в химии.
Этимология
Латинский корень
Слово «калория» происходит от латинского «calor» — теплота. Термин был введён во французский язык как «calorie» физиком Николя Клеманом в 1824 году на его лекциях в Консерватории искусств и ремёсел в Париже. Клеман использовал его для описания единицы тепловой энергии, необходимой для нагрева одного килограмма воды на один градус Цельсия — то, что мы теперь называем килокалорией.
Путаница с самого начала
История калории была омрачена путаницей с момента её появления. Клеман определил её как единицу на основе килограмма, но позже учёные переопределили её на основе грамма, создав малую калорию. Старое килограммовое определение сохранилось как килокалория или пищевая Калория.
Научное принятие и вытеснение
Калория широко использовалась в химии и физике XIX века. Она оставалась стандартом до 1960 года, когда система СИ назначила джоуль предпочтительной единицей энергии. С тех пор калория постепенно вытесняется в научных контекстах, но остаётся культурно закреплённой в нутрициологии.
Точное определение
Термохимическая калория определена как ровно 4,184 джоуля. Международная табличная калория определена как ровно 4,1868 джоуля. На практике разница между этими определениями пренебрежимо мала.
Основные конвертации
1 cal = 4,184 Дж (термохимическая) = 0,004184 кДж = 0,001 ккал = 0,00116222 Вт·ч = 0,003968 BTU. Обратно: 1 Дж ≈ 0,239 cal, 1 кДж ≈ 239 cal, 1 ккал = 1000 cal точно, 1 BTU ≈ 252 cal.
Зависимость от температуры
Исходная экспериментальная калория — теплота для нагрева 1 грамма воды на 1 градус Цельсия — немного варьируется в зависимости от температуры, поскольку удельная теплоёмкость воды изменяется. При 15 °C — около 4,1855 Дж; при 20 °C — около 4,182 Дж. Термохимическая калория (4,184 Дж) была зафиксирована для устранения этой неоднозначности.
История
Николя Клеман (1824)
Французский физик Николя Клеман ввёл концепцию калории на своих лекциях в 1824 году, определив её как теплоту, необходимую для нагрева одного килограмма воды на один градус Цельсия. Эта килограммовая калория — то, что мы сегодня называем килокалорией.
Принятие в химии
В середине XIX века химики приняли грамм-калорию (малую калорию) как более удобную для лабораторной работы. Это создало стойкую путаницу между грамм-калорией и килограмм-калорией.
Уилбур Этуотер и пищевые калории
Американский химик Уилбур Этуотер в 1890-х годах провёл калориметрические эксперименты, установившие калорийность белков, жиров и углеводов (система Этуотера). Его работа популяризировала килокалорию (с заглавной «Калорией») как единицу пищевой энергии.
Вызов джоуля
Система СИ назначила джоуль стандартной единицей энергии в 1960 году, а ГКМВ рекомендовала отказаться от калории в пользу джоуля ещё с 1948 года. Несмотря на это, калория оказалась замечательно устойчивой, сохранившись в нутрициологии и повседневной речи.
Современное применение
Химия
Малая калория всё ещё встречается в химии, особенно в термохимии и калориметрии. Удельные теплоёмкости иногда приводятся в cal/(г·°C), где значение для воды приблизительно равно 1 cal/(г·°C) по определению. Однако в современной химической литературе предпочтительны единицы СИ (Дж, кДж).
Нутрициология
Пищевая Калория (килокалория) доминирует в нутрициологии в США и многих других странах. Малая калория сама по себе редко появляется на этикетках продуктов, но встроена в систему пищевых Калорий.
Историческая научная литература
Старые научные работы (до 1970-х годов) часто используют калории. Энергии связей, теплоты реакций и удельные теплоёмкости могут быть даны в калориях в старых источниках.
Калориметрия
Наука калориметрия сохраняет «калорию» в самом своём названии, даже когда современные калориметры выдают результаты в джоулях. Бомбовые калориметры, дифференциальные сканирующие калориметры и калориметры изотермического титрования названы в честь калории.
Применение в быту
Малая калория (cal) редко используется непосредственно в повседневной жизни — доминирует пищевая Калория (ккал). Однако понимание малой калории помогает разобраться в нутриционной единице.
Связь с водой
Калория наиболее понятна в контексте нагрева воды: 1 калория нагревает 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Для нагрева чашки воды (250 г) от комнатной температуры (20 °C) до кипения (100 °C) требуется около 20 000 калорий = 20 ккал.
Энергия в перспективе
Одна малая калория — очень небольшое количество энергии. Горящая спичка выделяет около 1000 калорий (1 ккал). Пламя свечи производит около 20 калорий в секунду. Человек в покое выделяет около 20 калорий в секунду тепла.
Научная грамотность
Понимание различия между cal и ккал — часть базовой научной грамотности. Когда в учебнике написано, что теплота парообразования воды — 540 cal/г, это означает 540 малых калорий на грамм (= 2260 Дж/г). Когда на этикетке продукта указано 200 Калорий — это 200 000 малых калорий.
В науке и промышленности
Термохимия
Исторически термохимические данные табулировались в калориях. Теплота сгорания метана — 213 ккал/моль (891 кДж/моль), а энергии диссоциации связей исторически приводились в ккал/моль. Соотношение 1 ккал/моль ≈ 4,184 кДж/моль — один из самых используемых переводных коэффициентов в химии.
Удельная теплоёмкость
Удельная теплоёмкость воды 1 cal/(г·°C) — определяющее свойство калории. Другие материалы сравниваются с этим эталоном: алюминий — 0,215 cal/(г·°C), железо — 0,108 cal/(г·°C), этанол — 0,58 cal/(г·°C). В единицах СИ удельная теплоёмкость воды — 4,184 Дж/(г·°C).
Методы калориметрии
Калориметрия — измерение теплоты химических реакций и физических изменений — названа в честь калории. Современные приборы выдают результаты в джоулях, но номенклатура отражает калорийную эпоху.
Атмосферная наука
Солнечная радиация иногда выражается в калориях на квадратный сантиметр в минуту (единица «лэнгли» = 1 cal/см²). Солнечная постоянная — около 2 cal/(см²·мин).
Интересные факты
Калория почти была полностью заменена джоулем, когда система СИ была запущена в 1960 году, но нутрициология оказала сопротивление — спустя более 60 лет калории по-прежнему доминируют на этикетках продуктов по всему миру.
Одна малая калория (4,184 Дж) — примерно энергия мухи в полёте. Этого достаточно, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия, но не более.
Путаница между калориями и килокалориями привела как минимум к одному задокументированному медицинскому случаю: пациенту назначили 2000 калорий в день, но он получил 2000 килокалорий — правильное количество совпало, но путаница в единицах могла быть опасной.
Удельная теплоёмкость воды в 1 cal/(г·°C) необычно высока по сравнению с большинством веществ, поэтому вода так эффективно регулирует температуру в климате, кулинарии и системах охлаждения.
Уилбур Этуотер, установивший пищевые калорийные значения в 1890-х годах, проводил дни запертым внутри человеческого калориметра — устройства размером с комнату, измерявшего всё выделяемое его телом тепло.
Калория — одна из немногих до-СИ единиц, остающихся в активном использовании, несмотря на официальную рекомендацию о прекращении использования с 1948 года.
Одна изюминка содержит около 1090 малых калорий (1,09 ккал) — теоретически можно нагреть 1 литр воды чуть более чем на 1 градус Цельсия, сжигая одну изюминку.
Энергия для испарения одного грамма воды (540 калорий) примерно в 2,5 раза превышает энергию для нагрева его от замерзания до кипения (100 калорий), поэтому потоотделение — такой эффективный механизм охлаждения.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Джоуль (J) | 4,184 | Конвертировать → |
| Килокалория (kcal) | 0,001 | Конвертировать → |
| Килоджоуль (kJ) | 0,004184 | Конвертировать → |
| Ватт-час (Wh) | 0,001162 | Конвертировать → |