인생의 어느 시점에서 당신은 아마도 칼로리 주어진 음식에 대한 영양 정보 라벨을 확인한 후입니다. 많은 사람들이 이러한 라벨을 스캔 할 때 낮은 숫자를보고 싶어하는 것 외에 칼로리 란 무엇입니까?
그리고 이것이 실제로 일어나는 일이라면 어떻게 "칼로리"가 생명체에 질량을 더할까요? 그리고 주어진 항목 (이 값이 안심이 되든 우울하든)에 대해 나열된 칼로리 수가 정확하게 결정되었는지 어떻게 확신 할 수 있습니까?
열 앰비언트 세계의 많은 속성 중 하나이며, 자신이 잘 선택한 몇 가지 단어로 잘 설명 할 수 있지만 물리 과학에서는 더 집중된 의미를 가지고 있습니다. 칼로리는 줄 (J) 및 영국 열 단위 (btu)와 마찬가지로 열의 척도입니다. 열 교환 연구는 다음과 같이 알려진 물리 과학의 한 분야입니다. 열량 측정, 차례로 호출 된 장치에 의존합니다. 열량계.
직관적으로, 아이스크림과 치즈 케이크와 같은 냉장 또는 냉동 식품이 열로 추정되는 많은 것을 소량으로 포장 할 수 있다는 사실이 이상 할 수 있습니다. 또한 칼로리가 어떤 식 으로든 열로 변환되면 더 많은 칼로리를 공급하는 음식이 실제로 체중으로 이어지지 않아야합니다. 손실 추가 된 체질량보다는?
이것들은 좋은 질문이며, 이 기사의 나머지 부분을 "태우고"다음 열량 측정 실험실 또는 스포츠 영양 토론에 가져갈 이러한 답변과 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.
물리학에서 열이란 무엇입니까?
열은 주로 다음과 같이 생각할 수 있습니다. 열 에너지. 다른 형태의 에너지와 마찬가지로 단위는 줄 (또는 비 SI 단위의 동등한 것). 열은 직접 측정하기 어렵다는 점에서 파악하기 어려운 양입니다. 대신 제어 된 실험 조건에서 온도 변화를 사용하여 시스템이 열을 얻었는지 손실되었는지 여부를 확인할 수 있습니다.
열이 에너지로 취급된다는 사실은 열을 추적하는 것이 수학적으로 간단하다는 것을 의미합니다. 실험으로 인해 열 에너지가 빠져 나가 측정을 피할 수없는 조건을 설정하는 것이 어려울 경우. 그러나 다음과 같은 근본적인 현실 때문에 에너지 보존 법칙, 열표는 원칙적으로 매우 간단합니다.
특정 양의 열이 해당 물질의 고정 된 양에 추가 될 때 재료는 온도 변화에 대한 저항 수준이 다릅니다. 즉, 물질 A 1kg과 물질 B 1kg을 가져다가 각 물질에 동일한 양의 열을 더한 경우 열이 남지 않게됩니다. 체계, A의 온도는 물질 B의 온도보다 1/5 만 증가 할 수 있습니다.
이것은 물질 A가 비열 물질 A의 5 배, 아래에서 자세히 살펴볼 개념입니다.
열의 단위와 "칼로리"
영양 라벨에 표시된 "칼로리"는 실제로 킬로 칼로리 또는 kcal입니다. 따라서 실제로 일반적인 설탕 탄산 음료 캔은 약 120,000 칼로리를 가지고 있으며, 일상적인 의사 소통에서 일반적으로 칼로리로 표현됩니다.
- Calor 열에 대한 라틴어입니다.
칼로리는 약 4.184J에 해당합니다. 즉, 식품 라벨에서 칼로리로 취급되는 kcal은 4,184J 또는 4.184kJ입니다. 물리 과학에서 에너지 소비율 (초당 줄)을 전력이라고하며 SI 단위는 1J / s에 해당하는 와트 (W)입니다. 따라서 1kcal는 약 12 초 동안 0.35 ~ 0.4kW (350J / s)로 허밍하는 시스템에 전력을 공급하기에 충분한 에너지입니다.
P = E / t이므로 t = E / P = 4.186kJ / (0.35kJ / s) = 12.0입니다.
- 자전거 타는 사람이나 달리는 사람과 같이 훈련 된 지구력 운동 선수는 오랜 기간 동안 이러한 출력을 유지할 수 있습니다. 이론적으로 100 칼로리 (100kcal)의 에너지 음료는 올림픽로드 사이클 선수 나 마라톤 선수가 약 100 번 12 초 또는 20 분 동안 계속 진행할 수 있도록합니다. 인간 시스템은 기계적으로 거의 100 % 효율적이지 않기 때문에 실제로이 기간 동안 최대 호기성 용량에 가깝게 작동하려면 300kcal 이상이 필요합니다.
그만큼 칼로리 물 1g의 온도를 섭씨 1도 높이는 데 필요한 열량으로 정의됩니다. 이것에 대한 한 가지 문제는 H가 온도 범위에 걸쳐 온도에 따라 물의 c가 약간 변한다는 것입니다.2O는 액체입니다. "비열"의 "비열"은 특정 재료뿐만 아니라 특정 온도를 의미합니다.
-
대부분의 재료의 비열은 20
° C 또는 25 ° C.
열용량 및 비열 정의
기술적으로 "열용량"과 "비열 용량"이라는 용어는 덜 엄격한 소스에서 서로 바꿔서 사용할 수 있지만 다른 것을 의미합니다.
열용량은 원래 만들어 졌을 때 주어진 양만큼 전체 물체 (여러 재료로 만들어 질 수 있음)를 데우는 데 필요한 열량을 나타냅니다. 비열 용량은 1g의 온도를 올리는 데 필요한 열량을 나타냅니다. 특정 재료의 섭씨 1도 또는 켈빈 (° C 또는 K).
- 섭씨와 켈빈 온도 눈금은 동일하지 않지만 고정 된 양만큼 다릅니다. ° C + 273 = K (여기서 K는 음수가 될 수 없음). 이것은 화씨-섭씨 상호 변환의 경우와 달리 한 척도에서 주어진 온도 변화가 다른 척도에서 동일한 크기의 변화를 생성한다는 것을 의미합니다.
"비열 용량"을 "열 용량"으로 단축하는 대신 대신 용어를 사용하십시오. 비열, 평판이 좋은 출처의 관례입니다.
열량계는 무엇입니까?
목적 열량계 발열 화학 반응과 같은 일부 과정에서 방출되는 열을 포착하는 것인데, 그렇지 않으면 환경으로 손실됩니다. 시스템의 온도 변화와 열량계 어셈블리의 질량 및 비열을 알고 있으면 프로세스에 의해 시스템에 투입되는 열량을 결정할 수 있습니다. 다음 섹션에서 예제를 제공합니다.
열량계는 단열 상태 (즉, 열 전달을 허용하지 않는 상태)로 여러 가지 재료로 만들 수 있습니다. 이 용어는 전하 이동에 대한 저항을 나타내는 전자기학에서도 사용됩니다.
하나의 일반적인 버전은 스티로폼 컵과 잘 맞는 뚜껑으로 만들 수 있습니다. 이 커피 컵 열량계에서 물은 일반적으로 용매로 사용되며 온도계와 (필요한 경우) 교반 막대는 컵 뚜껑의 작은 구멍을 통해 꼭 맞습니다.
열량 측정 공식
폐쇄 시스템의 열 변화 (열량계의 경우 정의에 따라 양수)는 다음과 같이 주어진다. 시스템 질량의 곱, 열량계의 열용량 및 온도 변화 체계:
Q = mC∆T
어디:
- Q = 줄 (J) 단위로 방출 된 열 (흡수 된 열-방출 된 열과 동일)
- m = 킬로그램 단위의 질량 (kg)
- c = J / kg⋅ ° C (또는 J / kg⋅K)의 비열 용량
- ∆T = ° C (또는 K)의 온도 변화
열량계에서 발생하는 발열 (열 방출) 화학 반응에서 방출되는 열은 일반적으로 환경으로 분산됩니다. 이것은 다음과 같이 알려진 열역학적 양의 변화로 인한 손실입니다. 엔탈피 그것은 시스템의 내부 에너지와 시스템의 압력-체적 관계의 변화를 모두 설명합니다. 대신이 열은 용매와 컵 뚜껑 사이에 갇혀 있습니다.
이전에 에너지 절약 아이디어가 도입되었습니다. 열량계로 들어가는 열은 반응물과 열량계로 구성된 열량계 내에서 시스템에 의해 방출되는 열과 같아야하기 때문입니다. 제품 자체에서이 시스템에 대한 열 변화의 신호는 음수이며 열량계.
위 및 관련 진술은 열량계에서 열 또는 무시할 수있는 양의 열만 배출되지 않는다고 가정합니다. 단열재가 없을 때 열이 더 따뜻한 곳에서 더 시원한 곳으로 이동하므로 적절한 단열재가 없으면 열이 주변 환경에 대한 열량계 어셈블리 열량계.
몇 가지 일반적인 비열 용량
다음 차트에는 일반적으로 발생하는 일부 원소 및 화합물의 J / kg⋅ ° C 비열이 포함되어 있습니다.
- H2O, 얼음: 2.108
- H2O, 물: 4.184
- H2O, 수증기: 2.062
- 메탄올: 2.531
- 에탄올: 2.438
- 벤젠: 1.745
- 탄소, 흑연: 0.709
- 카본, 다이아몬드: 0.509
- 알루미늄: 0.897
- 철: 0.449
- 구리: 0.385
- 금: 0.129
수은: 0.140
식염 (NaCl): 0.864
- 석영: 0.742
- 방해석: 0.915
물은 비정상적으로 큰 열용량을 가지고 있습니다. 같은 양의 열을 가하면 1g의 물이 1g의 물보다 10 분의 1 이하로 따뜻해진다는 것은 아마도 반 직관적 일 수 있지만, 이것은 지구 주변의 생명체에 중요합니다.
물은 신체의 약 4 분의 3을 차지하므로 환경 온도의 큰 변화를 견딜 수 있습니다. 더 넓은 의미에서 바다는 전 세계의 온도를 안정시키는 데 도움이되는 열 저장소 역할을합니다.
열량계의 열용량
이제 열량계와 관련된 몇 가지 계산을 할 준비가되었습니다.
예 1 : 먼저, 수산화 나트륨 (NaOH) 1 그램을 25 ° C에서 물 50mL에 녹인 간단한 경우를 생각해보십시오. 이 온도에서 물의 열용량을 4.184 J / kg⋅ ° C로하고 물 50mL의 질량이 50g 또는 0.05kg 인 것으로 간주합니다. 용액의 온도가 30.32 ° C로 증가하면 열량계가 얼마나 많은 열을 얻습니까?
Q = mc∆T = (0.05 kg) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (30.32 − 5.32 ° C)
= 1.113 kJ 또는 1,113 J.
예 2 : 이제 시간이 지남에 따라 점점 더 인기를 얻고있는 장치 인 가정용 태양 에너지 저장 장치의 경우를 생각해보십시오. 이 장치가 열 에너지 저장을 위해 400L의 물을 사용한다고 가정합니다.
맑은 여름날 물의 초기 온도는 23.0 ° C입니다. 하루 동안 물의 온도는 장치의 "물벽"을 통해 순환하면서 39.0 ° C까지 상승합니다. 물에 얼마나 많은 에너지가 저장 되었습니까?
다시 말하지만, 물의 질량이 400kg이라고 가정합니다. 즉, 물의 밀도는이 온도 범위 내에서 정확히 1.0으로 간주 될 수 있습니다 (이는 단순화입니다).
이번에 관심있는 방정식은 다음과 같습니다.
Q = mc∆T = (400 kg) (4.184 kJ / kg⋅ ° C) (39 ° C-23 ° C)
= 26,778 J = 26.78 kJ.
이것은 약 17 초 동안 1.5kW 공간 히터에 전력을 공급하기에 충분한 에너지입니다.
(26.78 kJ) (kW / (kJ / s) / (1.5 kW) = 17.85 초
대부분의 경우 주택 소유자는 태양열 주택에 거주하는 경우 다른 용도로 계획되어 있습니다.
열량계 계산기
Btu / lb와 같이 비정상적이지만 완전히 멸종되지 않은 단위를 포함하여 비열 단위간에 쉽게 변환 할 수있는 온라인 계산기를 사용할 수 있습니다.미디엄영형에프.