熱量計によって得られる熱を計算する方法

あなたの人生のある時点で、あなたはおそらく何を疑問に思ったことでしょう カロリー 特定の食品の栄養情報ラベルを見た後です。 多くの人がそのようなラベルをスキャンするときに関連するより低い数字を見たいと思うもの以外に、カロリーは何ですか？

そして、これが実際に何が起こるのか、「カロリー」はどのように生命システムに質量を追加するのでしょうか？ そして、特定のアイテムにリストされているカロリー数が正確に決定されていることをどのように確認できますか？

熱 は、周囲の世界の多くの特性の1つであり、選択したいくつかの単語でうまく説明できますが、物理科学ではより焦点を絞った意味があります。 カロリーは、ジュール（J）および英国熱量単位（btu）と同様に、熱の尺度です。 熱交換の研究は、として知られている物理科学の一分野です。 熱量測定、と呼ばれるデバイスに依存します 熱量計.

直感的には、アイスクリームやチーズケーキなどの冷蔵または冷凍食品が、おそらく加熱されているものの多くを少量のサービングに詰めることができるのは奇妙だと思うかもしれません。 また、カロリーが何らかの形で熱に変換される場合、それをより多く供給する食品が実際に体重につながるべきではありません 損失 追加された体重ではなく？

これらは良い質問です。この記事の残りの部分を「焼き尽くす」と、これらの回答が得られ、次の熱量測定ラボやスポーツ栄養に関するディスカッションに進むことができます。

熱は主に次のように考えることができます 熱エネルギー。 他の形態のエネルギーのように、それはの単位を持っています ジュール （または非SI単位の同等物）。 熱は、直接測定することが難しいという点で、とらえどころのない量です。 代わりに、制御された実験条件下での温度変化を使用して、システムが熱を獲得したか失ったかを判断できます。

熱がエネルギーとして扱われるという事実は、熱を追跡することが数学的に簡単な運動であることを意味します。 実験によって、熱エネルギーが逃げず、測定を逃れる条件を確立することが困難な場合があります。 しかし、次のような基本的な現実のために エネルギー保存の法則、 熱集計は原則としてかなり簡単です。

一定量の熱がその物質の一定量に加えられると、材料は温度変化に対して異なるレベルの耐性を持ちます。 つまり、1キログラムの物質Aと1キログラムの物質Bを取り、それぞれに同じ量の熱を加えた場合、どちらも熱を放出することはできません。

これは、物質Aが 比熱 物質Aの5倍、以下で詳細に検討する概念。

栄養表示に記載されている「カロリー」は、実際にはキロカロリー、またはkcalです。 したがって、実際には、砂糖入りソーダの典型的な缶のカロリーは約12万カロリーであり、慣例により日常のコミュニケーションのカロリーとして表されます。

• カロリー ラテン語で、適切には、熱を意味します。

カロリーは約4.184Jに相当します。つまり、食品ラベルでカロリーとして扱われるkcalは4,184Jまたは4.184kJに等しくなります。 物理科学におけるエネルギー消費率（ジュール/秒）は電力と呼ばれ、SI単位はワット（W）であり、1 J / sに相当します。 したがって、1 kcalは、0.35〜0.4 kW（350 J / s）で約12秒間ハミングするシステムに電力を供給するのに十分な量のエネルギーです。

P = E / tなので、t = E / P = 4.186 kJ /（0.35 kJ / s）= 12.0。

• 自転車やランナーなどの訓練を受けた持久力アスリートは、このような出力を長期間維持することができます。 したがって、理論的には、100 "カロリー"（100 kcal）のエナジードリンクは、オリンピックのロードサイクリストまたはマラソンランナーを12秒または20分で約100回続けることができます。 人間のシステムは機械的にほぼ100％効率的ではないため、これだけ長い間、ほぼ完全な好気性容量で動作するには、実際には300kcal以上が必要です。
  

ザ・ カロリー 1グラムの水の温度を摂氏1度上げるのに必要な熱量として定義されます。 これに関する1つの問題は、Hが温度範囲全体にわたって温度によって水のcがわずかに変化することです。₂Oは液体です。 「比熱」の「比熱」とは、特定の材料だけでなく、特定の温度も指します。

• ほとんどの材料の比熱は20で与えられます

  °Cまたは25°C。

技術的には、「熱容量」と「比熱容量」という用語は、それほど厳密ではないソースで同じ意味で使用されているように見える場合でも、異なる意味を持ちます。

熱容量は、最初に造られたとき、単にオブジェクト全体（複数の材料でできている場合があります）を所定の量だけ暖めるのに必要な熱量を指します。 比熱容量とは、1グラムの温度を上げるのに必要な熱量を指します 特定の材料の 摂氏1度またはケルビン（°CまたはK）。

• 摂氏とケルビンの温度尺度は同じではありませんが、°C + 273 = Kであり、Kを負にすることはできないため、一定量だけ異なります。 これは、華氏と摂氏の相互変換の場合とは異なり、一方のスケールでの温度の特定の数値変化が、もう一方のスケールでも同じ大きさの変化を生成することを意味します。

「比熱容量」を「熱容量」に短縮するのではなく、この用語を使用します 比熱、評判の良い情報源の慣習がそうであるように。

の目的 熱量計 発熱化学反応など、環境に失われるプロセスで放出される熱を取り込むことです。 システムの温度変化と熱量計アセンブリの質量および比熱がわかっている場合、プロセスによってシステムに投入される熱量を決定できます。 例は次のセクションで提供されます。

熱量計は、断熱性がある（つまり、熱伝達を許容しない）という条件で、さまざまな材料から構築できます。 この用語は、電磁気学でも電荷移動に対する抵抗を指すために使用されます）。

一般的なバージョンの1つは、発泡スチロールのカップとぴったりと合うふたから作ることができます。 このコーヒーカップ熱量計では、通常、水が溶媒として使用され、温度計と（必要に応じて）攪拌棒がカップの蓋の小さな穴にぴったりとはまります。

閉鎖系の熱の変化（熱量計の場合は定義上正）は、次の式で与えられます。 システムの質量、熱量計の熱容量、および温度の変化の積 システム：

どこ：

• Q =ジュール（J）で発生した熱（吸収された熱-放出された熱に等しい）
• m =キログラム単位の質量（kg）
• c = J / kg・°C（またはJ / kg・K）で表した比熱容量
• ∆T =°C（またはK）での温度変化

熱量計で発生する発熱（熱放出）化学反応から解放された熱は、通常、環境に拡散します。 これは、次のように知られている熱力学的量の変化にチョークで書かれた損失です。 エンタルピー これは、システムの内部エネルギーとシステムの圧力と体積の関係の変化の両方を表します。 この熱は、代わりに溶媒とカップの蓋の間に閉じ込められます。
以前、エネルギー保存の法則が導入されました。 熱量計に入る熱は、反応物と熱量計で構成される熱量計内のシステムによって放出される熱と等しくなければならないためです。 製品自体、このシステムの熱変化の符号は負であり、によって得られる熱と同じ大きさです。 熱量計。

上記および関連するステートメントは、熱量計から熱が逃げないか、ごくわずかな量の熱しか逃げないことを前提としています。 断熱材が存在しない場合、熱は暖かい場所から冷たい場所に移動するため、適切な断熱材がないと、熱は 環境温度が環境温度よりも高い場合を除き、周囲環境用の熱量計アセンブリ 熱量計。

次のグラフには、一般的に遭遇するいくつかの元素および化合物のJ / kg・°Cでの比熱が含まれています。

• H₂O、氷：2.108
• H₂O、水：4.184
• H₂O、水蒸気：2.062
• メタノール：2.531
• エタノール：2.438
• ベンゼン：1.745
• カーボン、グラファイト：0.709
• カーボン、ダイヤモンド：0.509
• アルミニウム：0.897
• 鉄：0.449
• 銅：0.385
• ゴールド：0.129

• 水銀：0.140

• 食卓塩（NaCl）：0.864

• クォーツ：0.742
• 方解石：0.915

水は異常に大きな熱容量を持っていることに注意してください。 同じ量の熱を加えた場合、1グラムの水が1グラムの水の10分の1未満しか温まらないことはおそらく直感に反しますが、これは地球の周りの生活にとって重要です。

水は体の約4分の3を占めており、環境温度の大きな変動に耐えることができます。 より広義には、海洋は世界中の気温を安定させるのに役立つ熱源として機能します。

これで、熱量計を含むいくつかの計算の準備が整いました。
例1： まず、25°Cで1グラムの水酸化ナトリウム（NaOH）を50mLの水に溶解するという単純なケースを考えてみましょう。 この温度での水の熱容量を4.184J / kg・°Cとし、50mLの水が50グラムまたは0.05kgの質量であると見なします。 溶液の温度が30.32°Cに上昇した場合、熱量計によってどのくらいの熱が得られますか？

Q = mc∆T =（0.05 kg）（4.1​​84kJ /kg⋅°C）（30.32− 5.32°C）

= 1.113kJまたは1,113J。

例2： ここで、家庭用太陽エネルギー貯蔵ユニットの場合を考えてみましょう。このデバイスは、時間の経過とともに人気が高まっています。 このデバイスが熱エネルギーを蓄えるために400Lの水を使用すると仮定します。
晴れた夏の日、水の初期温度は23.0°Cです。 日中、ユニットの「水壁」を循環するときに、水の温度は39.0°Cに上昇します。 水にはどのくらいのエネルギーが蓄えられていますか？

ここでも、水の質量が400 kgであると仮定します。つまり、水の密度は、この温度範囲内で正確に1.0であると見なすことができます（これは単純化です）。

今回の関心の方程式は次のとおりです。

Q = mc∆T =（400 kg）（4.1​​84 kJ / kg・°C）（39°C− 23°C）

= 26,778 J = 26.78kJ。

これは、1.5kWのスペースヒーターに約17秒間電力を供給するのに十分なエネルギーです。

（26.78 kJ）（kW /（kJ / s）/（1.5 kW）= 17.85 s

おそらく、住宅所有者がソーラーハウスに住んでいる場合は、別の用途が計画されています。

Btu / lbなどの異常ではあるが完全に消滅していない単位を含む、比熱の単位間で簡単に変換できるオンライン計算機を使用できます。_m^oF。