På et eller andet tidspunkt i dit liv har du sandsynligvis spekuleret på, hvad en kalorie er efter at have set på et ernæringsinformationsmærke for en given mad. Bortset fra noget, som mange mennesker kan lide at se lavere tal forbundet med, når de scanner sådanne etiketter, hvad er en kalorie?
Og hvordan tilføjer "kalorier" masse til levende systemer, hvis dette faktisk er, hvad der sker? Og hvordan kan du være sikker på, at antallet af kalorier, der er anført for en given vare - være denne beroligende eller deprimerende værdi - er blevet bestemt nøjagtigt?
Varme er en af mange egenskaber i den omgivende verden, som du sandsynligvis kan beskrive godt i et par af dine egne velvalgte ord, men det har en mere fokuseret betydning i de fysiske videnskaber. Kalorien er et mål for varmen, ligesom joule (J) og den britiske termiske enhed (btu). Undersøgelsen af varmeveksling er en gren af fysisk videnskab kendt som kalorimetri, som igen er afhængige af kaldte enheder kalorimetre.
Intuitivt kan du måske finde det underligt, at kølede eller frosne fødevarer som is og ostekage kan pakke meget af det, der angiveligt er varme, i en lille servering. Også, hvis kalorier på en eller anden måde oversættes til varme, bør fødevarer, der leverer mere af det, faktisk ikke føre til vægt
tab snarere end tilsat kropsmasse?Dette er gode spørgsmål, og når du "brænder" igennem resten af denne artikel, har du disse svar og meget mere at tage til dit næste kalorimetrolaboratorium eller sportsnæring.
Hvad er varme i fysik?
Varme kan primært betragtes som termisk energi. Ligesom andre former for energi har den enheder af joules (eller tilsvarende i ikke-SI-enheder). Varme er en undvigende mængde, idet det er svært at måle direkte. I stedet for kan temperaturændringer under kontrollerede eksperimentelle forhold bruges til at bestemme, om et system har fået eller mistet varme.
Det faktum, at varme behandles som energi, betyder, at det at holde styr på det er en matematisk ligefrem øvelse, selv hvis eksperimenter undertiden gør det vanskeligt at etablere forhold, hvor ingen varmeenergi undslipper og undgår måling. Men på grund af grundlæggende virkeligheder som f.eks lov om bevarelse af energi, varmetabellen er i princippet ret enkel.
Materialer har forskellige niveauer af modstandsdygtighed over for skiftende temperaturer, når en given mængde varme tilsættes til en fast mængde af stoffet. Det vil sige, hvis du tog 1 kg stof A og 1 kg stof B og tilføjede den samme mængde varme til hver, uden nogen varme tilladt at forlade enten system, kan temperaturen på A kun stige med en femtedel så meget som temperaturen på stof B gør.
Dette ville betyde, at stof A har en specifik varme fem gange så meget som stof A, et koncept, der skal udforskes i detaljer nedenfor.
Enheder af varme og "kalorieindholdet"
Den "kalorie", der er anført på ernæringsetiketter, er faktisk en kilokalorie eller kcal. Så i virkeligheden har en typisk dåse med sukker sodavand ca. 120.000 kalorier, udtrykt ved konvention som en kalorie i daglig kommunikation.
- Calor er det latinske ord for, passende nok, varme.
Kalorien svarer til cirka 4,184 J, hvilket betyder, at den kcal, der behandles som en kalorie på fødevareetiketter, er lig med 4.184 J eller 4.184 kJ. Hastigheden for energiforbrug (joule pr. Sekund) i fysik kaldes magt, og SI-enheden er watt (W) svarende til 1 J / s. En kcal er derfor en tilstrækkelig mængde energi til at drive et system, der brummer sammen ved 0,35 til 0,4 kW (350 J / s) i cirka 12 sekunder:
P = E / t, så t = E / P = 4,166 kJ / (0,35 kJ / s) = 12,0.
- En trænet udholdenhedsatlet som en cyklist eller løber er i stand til at opretholde en sådan effekt over længere perioder. I teorien kan en 100- "kalorie" (100-kcal) energidrikke holde en olympisk landevejscyklist eller maratonløber i gang i cirka 100 gange 12 sekunder eller 20 minutter. Fordi det menneskelige system ikke er næsten 100 procent mekanisk effektivt, kræver det faktisk mere end 300 kcal for at fungere tæt på fuld aerob kapacitet i så lang tid.
Det kalorie er defineret som den mængde varme, der kræves for at øge temperaturen på 1 gram vand med 1 grad Celsius. Et problem med dette er, at der er en lille variation af vandets c med temperatur over det temperaturområde, hvor H2O er en væske. Den "specifikke" i "specifikke varme" refererer ikke kun til specifikke materialer, men til en bestemt temperatur.
-
De specifikke varmer for de fleste materialer er angivet ved 20
° C eller 25 ° C.
Varmekapacitet og specifik varme defineret
Teknisk set betyder udtrykkene "varmekapacitet" og "specifik varmekapacitet" forskellige ting, selvom du måske kan se disse brugt ombytteligt i mindre strenge kilder.
Når varmekapaciteten oprindeligt blev mønstret, henvises simpelthen til den mængde varme, der kræves for at varme en hel genstand (som kan være lavet af flere materialer) med en given mængde. Specifik varmekapacitet refererer til den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 gram af et specifikt materiale med 1 grad Celsius eller Kelvin (° C eller K).
- Mens temperaturskalaerne Celsius og Kelvin ikke er de samme, er de forskellige med et fast beløb, da ° C + 273 = K hvor K ikke kan være negativ. Dette betyder, at en given numerisk ændring i temperatur i en skala producerer den samme størrelse af ændring i den anden, i modsætning til tilfældet med Fahrenheit-Celsius-omdannelser.
I stedet for at forkorte "specifik varmekapacitet" til "varmekapacitet" skal du i stedet bruge udtrykket specifik varme, som det er konventionen i velrenommerede kilder.
Hvad er kalorimetri?
Formålet med en kalorimeter er at fange varmen frigivet i en eller anden proces, såsom en eksoterm kemisk reaktion, der ellers ville gå tabt for miljøet. Når temperaturændringen i systemet og massen og den specifikke varme i kalorimetersamlingen er kendt, kan den mængde varme, der tilføres systemet ved processen, bestemmes. Eksempler er givet i et efterfølgende afsnit.
Et kalorimeter kan bygges af et antal forskellige materialer med den betingelse, at de er isolerende (dvs. ikke tillader varmeoverførsel; udtrykket bruges også i elektromagnetisme til at henvise til modstand mod elektrisk ladningsoverførsel).
En almindelig version kan fremstilles af en isoporisk skål og et godt monteret låg. I dette kaffekop-kalorimeter bruges vand normalt som opløsningsmiddel, og et termometer og (om nødvendigt) omrørestok monteres tæt gennem små huller i låget på koppen.
Calorimetry-formlen
Ændringen i varme i et lukket system (positiv pr. Definition i tilfælde af et kalorimeter) er givet af produkt af systemets masse, kalorimeterets varmekapacitet og temperaturændringen i system:
Q = mC∆T
Hvor:
- Q = varme udviklet (lig med absorberet varme - frigivet varme) i joule (J)
- m = masse i kg (kg)
- c = specifik varmekapacitet i J / kg⋅ ° C (eller J / kg⋅K)
- ∆T = temperaturændring i ° C (eller K)
Varmen, der frigøres fra den eksotermiske (varmeafgivende) kemiske reaktion, der forekommer i kalorimeteret, vil normalt sprede sig i miljøet. Dette er et tab kridtet op til en ændring i en termodynamisk mængde kendt som entalpi der beskriver både den interne energi i systemet og ændringer i systemets tryk-volumen-forhold. Denne varme fanges i stedet mellem opløsningsmidlet og låget på koppen.
Tidligere blev ideen om energibesparelse introduceret. Fordi varmen, der kommer ind i kalorimeteret, skal svare til varmen, der frigøres af systemet inden for kalorimeteret, der består af reaktanterne og produkterne selv, er tegnet på varmeændring for dette system negativt og har samme størrelse som varmen opnået af kalorimeter.
Ovenstående og relaterede udsagn antager, at kun ingen varme eller ubetydelige mængder varme slipper ud af kalorimeteret. Varme bevæger sig fra varmere til køligere områder, når der ikke er isolering, så uden ordentlig isolering forlader varmen den kalorimetersamling til det omgivende miljø, medmindre omgivelsestemperaturen er varmere end temperaturen i kalorimeter.
Nogle almindelige specifikke varmekapaciteter
Følgende skema inkluderer den specifikke varme i J / kg⋅ ° C for nogle almindeligt forekommende grundstoffer og forbindelser.
- H2O, is: 2.108
- H2O, vand: 4.184
- H2O, vanddamp: 2,062
- Methanol: 2,531
- Ethanol: 2,438
- Benzen: 1.745
- Kulstof, grafit: 0,709
- Kulstof, diamant: 0,509
- Aluminium: 0,897
- Jern: 0,449
- Kobber: 0,385
- Guld: 0,129
Kviksølv: 0,140
Bordsalt (NaCl): 0,864
- Kvarts: 0,742
- Calcit: 0,915
Bemærk, at vand har en usædvanlig stor varmekapacitet. Det er måske modstridende, at et gram vand vil varme op med mindre end en tiendedel så meget som et gram vand givet den samme mængde tilsat varme, men dette er vigtigt for livet rundt om på planeten.
Vand udgør omkring tre fjerdedele af din krop, hvilket gør dig i stand til at tolerere store svingninger i miljøtemperaturen. Mere bredt fungerer havene som varmebeholdere for at hjælpe med at stabilisere temperaturer over hele verden.
Varmekapaciteten på et kalorimeter
Nu er du klar til nogle beregninger, der involverer kalorimetre.
Eksempel 1: Tag først det enkle tilfælde, hvor et gram natriumhydroxid (NaOH) opløses i 50 ml vand ved 25 ° C. Tag varmekapaciteten for vand ved denne temperatur til at være 4,184 J / kg C ° C, og betragt 50 ml vand til at have en masse på 50 gram eller 0,05 kg. Hvis temperaturen i opløsningen stiger til 30,32 ° C, hvor meget varme vindes der med kalorimeteret?
Du har Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ / kg⋅ ° C) (30,32 - 5,32 ° C)
= 1,113 kJ eller 1,113 J.
Eksempel 2: Overvej nu tilfældet med en enhed til lagring af solenergi i hjemmet, en enhed bliver mere populær over tid. Antag, at denne enhed bruger 400 liter vand til lagring af termisk energi.
På en klar sommerdag er vandets oprindelige temperatur 23,0 ° C. I løbet af dagen stiger temperaturen på vandet til 39,0 ° C, når det cirkulerer gennem enhedens "vandvæg". Hvor meget energi er der lagret i vandet?
Antag igen, at vandmassen er 400 kg, det vil sige, at vandtætheden kan betragtes som nøjagtigt 1,0 inden for dette temperaturområde (dette er en forenkling).
Ligningen af interesse er denne gang:
Q = mc∆T = (400 kg) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C - 23 ° C)
= 26,778 J = 26,78 kJ.
Dette er nok energi til at drive en 1,5 kW rumvarmer i cirka 17 sekunder:
(26,78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1,5 kW) = 17,85 s
Mest sandsynligt har husejere planlagt en anden anvendelse, hvis de bor i et solhus.
Kalorimetri-lommeregner
Du kan bruge online regnemaskiner, der giver dig mulighed for nemt at konvertere mellem enheder med specifik varme, herunder usædvanlige, men ikke helt uddøde enheder som Btu / lbmoF.