كيفية حساب الحرارة المكتسبة بواسطة المسعر

في مرحلة ما من حياتك ، ربما تساءلت عن ماهية ملف السعرات الحرارية بعد الاطلاع على ملصق معلومات التغذية لطعام معين. بخلاف الأشياء التي يحب الكثير من الناس رؤية أرقام أقل مرتبطة بها عند مسح مثل هذه الملصقات ، ما هي السعرات الحرارية؟

وكيف تضيف "السعرات الحرارية" كتلة إلى الأنظمة الحية ، إذا كان هذا في الواقع ما يحدث؟ وكيف يمكنك التأكد من أن عدد السعرات الحرارية المدرجة لعنصر معين - سواء كانت هذه القيمة مطمئنة أو محبطة - قد تم تحديدها بدقة؟

الحرارة هي واحدة من العديد من خصائص العالم المحيط التي ربما يمكنك وصفها جيدًا في عدد قليل من كلماتك المختارة جيدًا ، ولكن لها معنى أكثر تركيزًا في العلوم الفيزيائية. السعرات الحرارية مقياس للحرارة مثل الجول (J) والوحدة الحرارية البريطانية (btu). دراسة التبادل الحراري هي فرع من فروع العلوم الفيزيائية المعروفة باسم قياس السعرات الحرارية، والتي بدورها تعتمد على أجهزة تسمى المسعرات.

حدسيًا ، قد تجد أنه من الغريب أن الأطعمة المبردة أو المجمدة مثل الآيس كريم وكعكة الجبن يمكن أن تحزم الكثير مما يُفترض أنه يتم تسخينه في وجبة صغيرة. أيضًا ، إذا تُرجمت السعرات الحرارية بطريقة أو بأخرى إلى حرارة ، فلا يجب أن تؤدي الأطعمة التي توفر المزيد منها إلى زيادة الوزن

هذه أسئلة جيدة ، وبعد أن "تحترق" في بقية هذه المقالة ، ستحصل على هذه الإجابات والمزيد لتأخذها إلى معمل قياس السعرات الحرارية أو مناقشة التغذية الرياضية التالية.

يمكن اعتبار الحرارة بشكل أساسي طاقة حرارية. مثل غيرها من أشكال الطاقة ، لديها وحدات من جول (أو ما يعادلها في وحدات غير النظام الدولي للوحدات). الحرارة هي كمية بعيدة المنال حيث يصعب قياسها بشكل مباشر. بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام التغييرات في درجة الحرارة في ظل ظروف تجريبية خاضعة للرقابة لتحديد ما إذا كان النظام قد اكتسب أو فقد الحرارة.

حقيقة أن الحرارة تعامل كطاقة تعني أن تتبعها هو تمرين رياضي بسيط ، حتى إذا جعلت التجارب أحيانًا من الصعب تحديد الظروف التي لا تتسرب فيها الطاقة الحرارية وتفلت من القياس. ولكن بسبب الحقائق الأساسية مثل قانون حفظ الطاقة، جدولة الحرارة بسيطة إلى حد ما من حيث المبدأ.

تتمتع المواد بمستويات مختلفة من المقاومة لتغير درجات الحرارة عند إضافة كمية معينة من الحرارة إلى كمية ثابتة من تلك المادة. أي إذا تناولت كيلوغراماً واحداً من المادة أ و 1 كيلوغرام من المادة ب وأضفت نفس القدر من الحرارة إلى كل منهما ، مع عدم السماح للحرارة بمغادرة أي منهما النظام، قد تزيد درجة حرارة المادة A بمقدار الخمس فقط عن درجة حرارة المادة B.

هذا يعني أن المادة أ لها أ حرارة نوعية خمس مرات من المادة أ ، وهو مفهوم سيتم استكشافه بالتفصيل أدناه.

"السعرات الحرارية" المدرجة في ملصقات التغذية هي في الواقع كيلو كالوري أو كيلو كالوري. لذلك في الواقع ، تحتوي العلبة النموذجية من الصودا المحلاة على حوالي 120.000 سعرة حرارية ، يتم التعبير عنها وفقًا للاتفاقيات باعتبارها سعرات حرارية في التواصل اليومي.

• كالور هي الكلمة اللاتينية المناسبة للحرارة.

تعادل السعرات الحرارية حوالي 4.184 جول ، مما يعني أن السعرات الحرارية المُعاملة كسعرات حرارية على ملصقات الطعام تساوي 4184 جول أو 4.184 كيلو جول. يُطلق على معدل إنفاق الطاقة (جول في الثانية) في العلوم الفيزيائية الطاقة ، ووحدة النظام الدولي للوحدات هي الواط (W) ، والتي تساوي 1 J / s. لذا فإن كيلو كالوري واحد هو كمية كافية من الطاقة لتشغيل نظام يعمل على طول 0.35 إلى 0.4 كيلو واط (350 جول / ثانية) لمدة 12 ثانية تقريبًا:

P = E / t ، لذلك t = E / P = 4.186 kJ / (0.35 kJ / s) = 12.0.

• إن رياضي التحمل المدرب مثل راكب الدراجة أو العداء قادر على الحفاظ على مثل هذه القوة الناتجة على مدى فترات طويلة. من الناحية النظرية ، إذن ، يمكن لمشروب طاقة 100 "كالوري" (100 سعرة حرارية) أن يبقي راكب الدراجة أو عداء الماراثون على الطريق نحو 100 مرة في 12 ثانية ، أو 20 دقيقة. نظرًا لأن النظام البشري ليس فعالًا ميكانيكيًا بنسبة 100 في المائة تقريبًا ، فإنه يتطلب في الواقع أكثر من 300 سعرة حرارية ليعمل بالقرب من السعة الهوائية الكاملة لهذه الفترة الطويلة.
  

ال السعرات الحرارية تُعرَّف بأنها كمية الحرارة المطلوبة لزيادة درجة حرارة 1 جرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية. مشكلة واحدة مع هذا هو أن هناك اختلاف طفيف في ج من الماء مع درجة الحرارة عبر نطاق درجات الحرارة التي عندها H.₂O سائل. لا تشير كلمة "محددة" في "حرارة محددة" إلى مواد معينة فحسب ، بل تشير إلى درجة حرارة معينة.

• يتم إعطاء درجات الحرارة المحددة لمعظم المواد عند 20

  درجة مئوية أو 25 درجة مئوية.

من الناحية الفنية ، تعني المصطلحات "السعة الحرارية" و "السعة الحرارية المحددة" أشياء مختلفة ، على الرغم من أنك قد ترى استخدامهما بالتبادل في المصادر الأقل صرامة.

السعة الحرارية ، عند صياغتها في الأصل ، تشير ببساطة إلى كمية الحرارة المطلوبة لتسخين جسم كامل (والذي قد يكون مصنوعًا من مواد متعددة) بكمية معينة. تشير السعة الحرارية النوعية إلى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من مادة معينة بمقدار 1 درجة مئوية أو كلفن (درجة مئوية أو كلفن).

• في حين أن مقاييس درجة الحرارة Celsius و Kelvin ليست متطابقة ، إلا أنها تختلف بمقدار ثابت ، مثل ° C + 273 = K حيث لا يمكن أن تكون K سالبة. هذا يعني أن تغييرًا عدديًا معينًا في درجة الحرارة في مقياس واحد ينتج عنه نفس حجم التغيير في المقياس الآخر ، على عكس الحالة مع التحويلات البينية فهرنهايت-مئوية.

بدلاً من تقصير "السعة الحرارية المحددة" إلى "السعة الحرارية" ، استخدم المصطلح بدلاً من ذلك حرارة نوعية، كما هو متفق عليه في المصادر ذات السمعة الطيبة.

الغرض من أ المسعر هو التقاط الحرارة المنبعثة في بعض العمليات ، مثل تفاعل كيميائي طارد للحرارة ، والتي لولا ذلك من شأنها أن تضيع في البيئة. عندما يتم معرفة تغير درجة حرارة النظام والكتلة والحرارة النوعية لمجموعة المسعر ، يمكن تحديد كمية الحرارة التي يتم إدخالها في النظام بواسطة العملية. يتم توفير الأمثلة في قسم لاحق.

يمكن بناء المسعر من عدد من المواد المختلفة ، بشرط أن تكون عازلة (أي لا تسمح بنقل الحرارة ؛ يستخدم المصطلح أيضًا في الكهرومغناطيسية للإشارة إلى المقاومة ضد نقل الشحنة الكهربائية).

يمكن صنع نسخة شائعة واحدة من كوب الستايروفوم وغطاء مناسب جيدًا. في جهاز قياس السعرات الحرارية لفنجان القهوة هذا ، عادةً ما يتم استخدام الماء كمذيب ، ويتم تركيب مقياس حرارة وعصا التحريك (إذا لزم الأمر) بإحكام من خلال ثقوب صغيرة في غطاء الكوب.

التغيير في حرارة نظام مغلق (موجب بالتعريف في حالة المسعر) يعطى بواسطة ناتج كتلة النظام ، السعة الحرارية للمسعر والتغير في درجة حرارة النظام:

أين:

• Q = الحرارة المتصاعدة (تساوي الحرارة الممتصة - الحرارة المنبعثة) بالجول (J)
• م = الكتلة بالكيلوجرام (كجم)
• c = سعة حرارية محددة في J / kg⋅ ° C (أو J / kg⋅K)
• ∆T = تغير درجة الحرارة بالدرجة المئوية (أو كلفن)

عادة ما تتشتت الحرارة المنبعثة من أي تفاعل كيميائي طارد للحرارة (إطلاق الحرارة) في المسعر في البيئة. هذه خسارة ناتجة عن تغيير في كمية ديناميكية حرارية معروفة باسم الطاقة الداخلية الكامنة يصف كلاً من الطاقة الداخلية للنظام والتغيرات في علاقة الضغط بالحجم للنظام. بدلاً من ذلك ، يتم حجز هذه الحرارة بين المذيب وغطاء الكوب.
في وقت سابق ، تم تقديم فكرة الحفاظ على الطاقة. لأن الحرارة التي تدخل المسعر يجب أن تساوي الحرارة المنبعثة من النظام داخل المسعر المكون من المواد المتفاعلة و المنتجات نفسها ، فإن علامة تغير الحرارة لهذا النظام سلبية ولها نفس مقدار الحرارة المكتسبة بواسطة المسعر.

تفترض العبارات أعلاه والبيانات ذات الصلة أنه لا توجد سوى حرارة أو كميات ضئيلة من الحرارة تهرب من المسعر. تنتقل الحرارة من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة في حالة عدم وجود العزل ، لذلك بدون عزل مناسب ، ستترك الحرارة تجميع المسعرات للبيئة المحيطة ما لم تكن درجة حرارة البيئة أكثر دفئًا من درجة حرارة المسعر.

يتضمن الرسم البياني التالي الحرارة النوعية في J / kg⋅ ° C لبعض العناصر والمركبات الشائعة.

• ح₂O ، الجليد: 2.108
• ح₂يا ماء: 4.184
• ح₂O ، بخار الماء: 2.062
• الميثانول: 2.531
• الإيثانول: 2.438
• البنزين: 1.745
• الكربون والجرافيت: 0.709
• الكربون والماس: 0.509
• ألومنيوم: 0.897
• الحديد: 0.449
• النحاس: 0.385
• الذهب: 0.129

• الزئبق: 0.140

• ملح الطعام (كلوريد الصوديوم): 0.864

• كوارتز: 0.742
• الكالسيت: 0.915

لاحظ أن الماء له سعة حرارية كبيرة بشكل غير عادي. ربما يكون من غير المنطقي أن يسخن جرام من الماء بأقل من عُشر جرام من الماء إذا ما أعطيت نفس كمية الحرارة المضافة ، لكن هذا مهم للحياة حول الكوكب.

يشكل الماء حوالي ثلاثة أرباع جسمك ، مما يجعلك قادرًا على تحمل التقلبات الكبيرة في درجة حرارة البيئة. على نطاق أوسع ، تعمل المحيطات كمستودعات حرارة للمساعدة في استقرار درجات الحرارة في جميع أنحاء العالم.

أنت الآن جاهز لإجراء بعض العمليات الحسابية التي تتضمن المسعرات.
مثال 1: أولاً ، خذ الحالة البسيطة لجرام من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) يذوب في 50 مل من الماء عند 25 درجة مئوية. خذ السعة الحرارية للماء عند درجة الحرارة هذه لتكون 4.184 J / kg ° C واعتبر أن 50 مل من الماء لها كتلة 50 جرامًا ، أو 0.05 كجم. إذا زادت درجة حرارة المحلول إلى 30.32 درجة مئوية ، فما مقدار الحرارة التي يكتسبها المسعر؟

لديك Q = mc∆T = (0.05 كجم) (4.184 كيلوجول / كجم⋅ درجة مئوية) (30.32 - 5.32 درجة مئوية)

= 1.113 كيلو جول أو 1،113 ج.

المثال 2: الآن ضع في اعتبارك حالة وحدة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية ، حيث أصبح الجهاز أكثر شيوعًا بمرور الوقت. افترض أن هذا الجهاز يستخدم 400 لتر من الماء لتخزين الطاقة الحرارية.
في يوم صيفي صافٍ ، تبلغ درجة الحرارة الأولية للمياه 23.0 درجة مئوية. خلال النهار ترتفع درجة حرارة الماء إلى 39.0 درجة مئوية حيث يدور خلال "جدار الماء" للوحدة. ما مقدار الطاقة المخزنة في الماء؟

مرة أخرى ، افترض أن كتلة الماء تبلغ 400 كجم ، أي أن كثافة الماء يمكن اعتبارها بالضبط 1.0 ضمن نطاق درجة الحرارة هذا (هذا تبسيط).

معادلة الفائدة هذه المرة هي:

Q = mc∆T = (400 كجم) (4.184 كيلو جول / كجم درجة مئوية) (39 درجة مئوية - 23 درجة مئوية)

= 26،778 J = 26.78 كيلو جول.

هذه طاقة كافية لتشغيل سخان مساحة 1.5 كيلو وات لمدة 17 ثانية تقريبًا:

(26.78 كيلوجول) (كيلوواط / (كيلوجول / ثانية) / (1.5 كيلو واط) = 17.85 ثانية)

على الأرجح ، يكون لأصحاب المنازل استخدامًا مختلفًا مخططًا له إذا كانوا يعيشون في منزل شمسي.

يمكنك استخدام الآلات الحاسبة عبر الإنترنت التي تسمح لك بالتحويل بسهولة بين الوحدات ذات الحرارة المحددة ، بما في ذلك الوحدات غير العادية ولكن غير المنقرضة تمامًا مثل Btu / lb_م^اF.