Op een bepaald moment in je leven heb je je waarschijnlijk afgevraagd wat een calorie is na het bekijken van een voedingsinformatie-etiket voor een bepaald voedingsmiddel. Afgezien van iets dat veel mensen graag lagere cijfers zien wanneer ze dergelijke labels scannen, wat is een calorie?
En hoe voegen "calorieën" massa toe aan levende systemen, als dit in feite is wat er gebeurt? En hoe weet u zeker dat het aantal calorieën dat voor een bepaald item wordt vermeld - of deze waarde geruststellend of deprimerend is - nauwkeurig is bepaald?
Warmte is een van de vele eigenschappen van de omringende wereld die je waarschijnlijk goed kunt beschrijven in een paar van je eigen goed gekozen woorden, maar het heeft een meer gerichte betekenis in de natuurwetenschappen. De calorie is een maat voor warmte, net als de joule (J) en de Britse thermische eenheid (btu). De studie van warmte-uitwisseling is een tak van de natuurwetenschap die bekend staat als: calorimetrie, die op zijn beurt afhankelijk is van apparaten genaamd calorimeters.
Intuïtief vind je het misschien vreemd dat gekoeld of bevroren voedsel zoals ijs en cheesecake veel van wat zogenaamd warmte is, in een kleine portie kan verpakken. En als calorieën zich op de een of andere manier vertalen in warmte, zouden voedingsmiddelen die er meer van leveren dan niet daadwerkelijk tot gewicht moeten leiden? verlies in plaats van toegevoegde lichaamsmassa?
Dit zijn goede vragen, en nadat je de rest van dit artikel hebt "doorgebrand", heb je deze antwoorden en nog veel meer om mee te nemen naar je volgende calorimetrielab of sportvoedingsdiscussie.
Wat is warmte in de natuurkunde?
Warmte kan vooral worden gezien als: thermische energie. Net als andere vormen van energie heeft het eenheden van joules (of het equivalent in niet-SI-eenheden). Warmte is een ongrijpbare hoeveelheid omdat het moeilijk direct te meten is. In plaats daarvan kunnen temperatuurveranderingen onder gecontroleerde experimentele omstandigheden worden gebruikt om te bepalen of een systeem warmte heeft gewonnen of verloren.
Het feit dat warmte als energie wordt behandeld, betekent dat het bijhouden ervan een wiskundig eenvoudige oefening is, zelfs als experimenten het soms moeilijk maken om omstandigheden vast te stellen waarin geen warmte-energie ontsnapt en aan de meting ontsnapt. Maar vanwege fundamentele realiteiten zoals de wet van behoud van energie, warmtetabel is in principe vrij eenvoudig.
Materialen hebben verschillende niveaus van weerstand tegen veranderende temperaturen wanneer een bepaalde hoeveelheid warmte wordt toegevoegd aan een vaste hoeveelheid van die stof. Dat wil zeggen, als je 1 kilogram stof A en 1 kilogram stof B zou nemen en aan elk dezelfde hoeveelheid warmte zou toevoegen, zonder dat er ook warmte uit mocht systeem, zou de temperatuur van A met slechts een vijfde zo veel kunnen stijgen als de temperatuur van stof B.
Dit zou betekenen dat stof A een heeft specifieke hitte vijf keer die van stof A, een concept dat hieronder in detail zal worden onderzocht.
Eenheden van warmte en de "calorie"
De "calorie" die op voedingsetiketten wordt vermeld, is in feite een kilocalorie, of kcal. Dus in werkelijkheid bevat een typisch blikje gesuikerde frisdrank ongeveer 120.000 calorieën, volgens afspraak uitgedrukt als een calorie in de dagelijkse communicatie.
- Calor is het Latijnse woord voor, toepasselijk genoeg, warmte.
De calorie is gelijk aan ongeveer 4,184 J, wat betekent dat de kcal die als calorie op voedseletiketten wordt behandeld, gelijk is aan 4,184 J of 4,184 kJ. De snelheid van energieverbruik (joule per seconde) in de natuurkunde wordt vermogen genoemd, en de SI-eenheid is de watt (W), gelijk aan 1 J/s. Eén kcal is dus voldoende energie om een systeem ongeveer 12 seconden lang met 0,35 tot 0,4 kW (350 J/s) van stroom te voorzien:
P = E/t, dus t = E/P = 4,186 kJ/(0,35 kJ/s) = 12,0.
- Een getrainde duursporter zoals een fietser of hardloper is in staat om een dergelijk vermogen gedurende langere perioden vast te houden. In theorie zou een energiedrank van 100 "calorie" (100 kcal) een Olympische wielrenner of marathonloper dus ongeveer 100 keer 12 seconden of 20 minuten aan de gang kunnen houden. Omdat het menselijk systeem mechanisch nog lang niet 100 procent efficiënt is, heeft het in feite meer dan 300 kcal nodig om zo lang op bijna volledige aerobe capaciteit te werken.
De calorie wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van 1 gram water met 1 graad Celsius te verhogen. Een probleem hiermee is dat er een kleine variatie is van de c van water met de temperatuur over het temperatuurbereik waarbij H2O is een vloeistof. De "specifieke" in "specifieke warmte" verwijst niet alleen naar specifieke materialen, maar naar een specifieke temperatuur.
-
De soortelijke warmte van de meeste materialen wordt gegeven bij 20
°C of 25 °C.
Warmtecapaciteit en specifieke warmte gedefinieerd
Technisch gezien betekenen de termen "warmtecapaciteit" en "specifieke warmtecapaciteit" verschillende dingen, ook al zie je deze misschien door elkaar worden gebruikt in minder strikte bronnen.
Warmtecapaciteit, oorspronkelijk bedacht, verwijst eenvoudigweg naar de hoeveelheid warmte die nodig is om een heel object (dat uit meerdere materialen kan zijn gemaakt) met een bepaalde hoeveelheid te verwarmen. Specifieke warmtecapaciteit verwijst naar de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van 1 gram te verhogen van een specifiek materiaal met 1 graad Celsius of Kelvin (°C of K).
- Hoewel de temperatuurschalen van Celsius en Kelvin niet hetzelfde zijn, verschillen ze met een vaste hoeveelheid, zoals ° C + 273 = K waarbij K niet negatief kan zijn. Dit betekent dat een gegeven numerieke verandering in temperatuur in de ene schaal dezelfde grootte van verandering in de andere produceert, in tegenstelling tot het geval met Fahrenheit-Celsius interconversies.
In plaats van "specifieke warmtecapaciteit" in te korten tot "warmtecapaciteit", gebruik in plaats daarvan de term: specifieke hitte, zoals de conventie in gerenommeerde bronnen is.
Wat is calorimetrie?
Het doel van een calorimeter is het opvangen van de warmte die vrijkomt bij een proces, zoals een exotherme chemische reactie, die anders verloren zou gaan aan het milieu. Wanneer de temperatuurverandering van het systeem en de massa en soortelijke warmte van het calorimetersamenstel bekend zijn, kan de hoeveelheid warmte die door het proces in het systeem wordt gebracht, worden bepaald. Voorbeelden vindt u in een volgende paragraaf.
Een calorimeter kan worden opgebouwd uit een aantal verschillende materialen, met als voorwaarde dat ze isolerend zijn (d.w.z. geen warmteoverdracht toestaan; de term wordt ook gebruikt in elektromagnetisme om te verwijzen naar weerstand tegen elektrische ladingsoverdracht).
Een veelgebruikte versie kan worden gemaakt van een piepschuimbeker en een goed passend deksel. In deze calorimeter voor koffiekopjes wordt meestal water als oplosmiddel gebruikt, en een thermometer en (indien nodig) roerstaafje passen precies door kleine gaatjes in het deksel van de kop.
De Calorimetrie Formule
De verandering in warmte van een gesloten systeem (per definitie positief bij een calorimeter) wordt gegeven door de product van de massa van het systeem, de warmtecapaciteit van de calorimeter en de verandering in temperatuur van de systeem:
Q = mC∆T
Waar:
- Q = warmteontwikkeling (gelijk aan opgenomen warmte − afgegeven warmte) in joule (J)
- m = massa in kilogram (kg)
- c = soortelijke warmtecapaciteit in J/kg⋅°C (of J/kg⋅K)
- ∆T = temperatuurverandering in °C (of K)
De warmte die vrijkomt bij welke exotherme (warmte-afgevende) chemische reactie dan ook die optreedt in de calorimeter, zou zich gewoonlijk in de omgeving verspreiden. Dit is een verlies dat wordt toegeschreven aan een verandering in een thermodynamische grootheid die bekend staat als enthalpie die zowel de interne energie van het systeem als veranderingen in de druk-volumerelatie van het systeem beschrijft. Deze warmte wordt in plaats daarvan gevangen tussen het oplosmiddel en het deksel van de beker.
Eerder werd het idee van behoud van energie geïntroduceerd. Omdat de warmte die de calorimeter binnenkomt gelijk moet zijn aan de warmte die vrijkomt door het systeem in de calorimeter bestaande uit de reactanten en producten zelf, het teken van de warmteverandering voor dit systeem is negatief en heeft dezelfde grootte als de warmte die wordt gewonnen door de calorimeter.
Bovenstaande en gerelateerde uitspraken gaan ervan uit dat er slechts geen warmte of verwaarloosbare hoeveelheden warmte uit de calorimeter ontsnappen. Warmte verplaatst zich van warmere naar koelere gebieden wanneer er geen isolatie aanwezig is, dus zonder goede isolatie zal warmte de. verlaten calorimeterassemblage voor de omgevingsomgeving, tenzij de omgevingstemperatuur warmer is dan die van de calorimeter.
Enkele veelvoorkomende specifieke warmtecapaciteiten
De volgende grafiek bevat de soortelijke warmte in J/kg⋅°C van enkele veelvoorkomende elementen en verbindingen.
- H2O, ijs: 2.108
- H2O, water: 4.184
- H2O, waterdamp: 2.062
- Methanol: 2.531
- Ethanol: 2,438
- Benzeen: 1.745
- Koolstof, grafiet: 0.709
- Koolstof, diamant: 0,509
- Aluminium: 0.897
- Ijzer: 0.449
- Koper: 0.385
- Goud: 0.129
Mercurius: 0.140
Tafelzout (NaCl): 0,864
- Kwarts: 0.742
- Calciet: 0.915
Merk op dat water een ongewoon grote warmtecapaciteit heeft. Het is misschien contra-intuïtief dat een gram water minder dan een tiende zoveel zal opwarmen als een gram water bij dezelfde hoeveelheid toegevoegde warmte, maar dit is belangrijk voor het leven op aarde.
Water maakt ongeveer driekwart van je lichaam uit, waardoor je grote schommelingen in de omgevingstemperatuur kunt verdragen. Meer in het algemeen fungeren de oceanen als warmtereservoirs om de temperatuur wereldwijd te stabiliseren.
De warmtecapaciteit van een calorimeter
Nu bent u klaar voor enkele berekeningen met calorimeters.
Voorbeeld 1: Neem eerst het eenvoudige geval van een gram natriumhydroxide (NaOH) dat wordt opgelost in 50 ml water van 25 °C. Neem de warmtecapaciteit van water bij deze temperatuur op 4,184 J/kg⋅°C en beschouw de 50 ml water als een massa van 50 gram of 0,05 kg. Als de temperatuur van de oplossing stijgt tot 30,32 °C, hoeveel warmte wint de calorimeter dan?
Je hebt Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ/kg⋅°C) (30,32 − 5,32 °C)
= 1,113 kJ of 1113 J.
Voorbeeld 2: Overweeg nu het geval van een zonne-energieopslageenheid voor thuis, een apparaat dat in de loop van de tijd populairder wordt. Stel dat dit apparaat 400 L water gebruikt voor de opslag van thermische energie.
Op een heldere zomerdag is de begintemperatuur van het water 23,0 °C. In de loop van de dag stijgt de temperatuur van het water tot 39,0 °C terwijl het door de "watermuur" van de unit circuleert. Hoeveel energie is er in het water opgeslagen?
Nogmaals, neem aan dat de massa van water 400 kg is, dat wil zeggen dat de dichtheid van water binnen dit temperatuurbereik als exact 1,0 kan worden beschouwd (dit is een vereenvoudiging).
De vergelijking van belang deze keer is:
Q = mc∆T = (400 kg)(4.184 kJ/kg⋅°C)(39 °C − 23 °C)
= 26.778 J = 26,78 kJ.
Dit is genoeg energie om een ruimteverwarmer van 1,5 kW ongeveer 17 seconden van stroom te voorzien:
(26,78 kJ)(kW/(kJ/s)/(1,5 kW) = 17,85 s
Hoogstwaarschijnlijk hebben de huiseigenaren er een ander gebruik voor gepland als ze in een zonnehuis wonen.
Calorimetrie Calculator
U kunt online rekenmachines gebruiken waarmee u gemakkelijk kunt omrekenen tussen eenheden van soortelijke warmte, inclusief ongebruikelijke maar niet volledig uitgestorven eenheden zoals Btu/lbmOF.