Замисляли ли сте се откъде идва информацията за калориите на етикетите на храните? Как е възможно да разберем колко енергия ще осигури храната, без всъщност да изучаваме пътя й от устата до каквото и да се вятърни клетки консумирате молекулите на глюкозата, генерирани от въглехидратите, мазнините и протеините, съставляващи (неводните) порции храна, която Яжте?
Съдържанието на калории или калорична стойност, на вещество е количеството енергия, което се освобождава, когато веществото е напълно „изгорено“ или е подложено на пълно изгаряне. Изгарянето е един от петте основни типа химически реакции и винаги се случва в присъствието на кислороден газ (O2), като другият реагент е някакъв вид (обикновено на основата на въглерод) гориво.
- Калоричната стойност на дадено вещество обикновено се дава на база количество, т.е. на мол (m) изгорено вещество.
Как се измерва калоричната горивна енергия?
Първо, малко терминология. A калории (cal) е количеството топлина (енергия), необходимо за повишаване на температурата на 1 g (грам) вода с 1 градус по Целзий (° C). „Калориите“ на етикетите за хранителни вещества всъщност са килокалории или ккал (1000 кал). В химията стандартната единица енергия е джаулът (J), равен на 4,18 кал. По този начин 1 калория на храната е равна на (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ.
Енергийното съдържание на храната се измерва чрез поставяне на известна маса на специфично вещество (например етанол, аминокиселина, глюкоза) в устройство, наречено бомбен калориметър и измерване на количеството отделена топлина, когато реакцията завърши. Това се постига чрез измерване на температурната промяна на известна маса вода в запечатания калориметър.
Тази под-наука, т.нар калориметрия, дава възможност за теоретично изчисляване на калоричността. Зависи от това как даден енергиен ресурс променя известна маса вода. Всъщност това количество, наречено специфична топлина на водата, е известно от известно време и е обяснено по-долу. (Други вещества имат свои специфични топлини за използване в различни химични ситуации.)
Как да изчислим калоричността на горивото
Формулата за топлината на горенето (или енталпията на горенето) е уравнение:
H = m_C_ΔT
Тук H е топлината, отделена от горенето, m е масата в грамове на водата, използвана като топлинен колектор, ° С е специфична топлина на водата (4.184 J / g⋅ ° C), а ΔT е температурната промяна в ° C.
Формулата на калоричността често изглежда различно от това, тъй като Н и С често са представени с различни символи. Докато всички единици се подравняват така, че да ви останат единици енергия (за предпочитане J), точната формула на калоричност, която използвате, няма значение.
Пример за изчисляване на калоричността
Проба от 15,5 грама етанол, С2Н6O (алкохолът в „напитки за възрастни“) се изгаря в 2000 g H2O (2 литра при стайна температура). Това води до промяна на температурата от 55 ° C. Каква е моларната топлина на горене (топлина на горене на мол) етанол? Обърнете се към периодичната таблица (вж. Ресурси) за молекулни тегла на елементите.
Първо използвайте периодична таблица, за да изчислите броя на присъстващите молове етанол. 1 mol съдържа два С атома (молекулно тегло или MW, от 12,0 g; шест Н атоми (MW = 1,07 g); и един кислороден атом (MW = 16,0 g). По този начин 1 mol = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46.0 g. Имате 15,5 g, така че имате 15,5 / 46,0 = 0,336 mol.
Сега се обърнете към уравнението по-горе, за да разберете енергията, освободена от масата m, известната стойност на ° С, и температурната промяна ΔT на водата:
H = (2000 g) (4.184 J / g⋅ ° C) (55 ° C) = 460 240 J = 460.24 kJ
Сега разделете на броя на присъстващите бенки, за да получите моларната топлина на изгаряне на етанол:
(460,24 kJ) / (0,336 mol) = 1,369 kJ / mol.
Това е значително число, какво бихте очаквали от нещо, което може да се използва за задвижване на автомобили.