Kalorien - Calorie

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Die Kalorie ist eine Energieeinheit, die als Wärmemenge definiert wird, die benötigt wird, um die Temperatur einer Wassermenge um ein Grad zu erhöhen.

Aus historischen Gründen sind zwei Hauptdefinitionen von Kalorien weit verbreitet. Die kleine Kalorien- oder Grammkalorie (normalerweise als cal bezeichnet ) ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von einem Gramm Wasser um ein Grad Celsius (oder ein Kelvin ) zu erhöhen . Die große Kalorie , Nahrungsmittelkalorie oder Kilokalorie ( Kal , Kalorie oder kcal ), die am häufigsten in der Ernährung verwendet wird , ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um die gleiche Zunahme in einem Kilogramm zu bewirkenaus Wasser. 1 Kilokalorie (kcal) = 1000 Kalorien (cal). Gemäß der Konvention in der Lebensmittelwissenschaft wird die große Kalorie allgemein als Kalorie bezeichnet (mit einem großen C von einigen Autoren zur Unterscheidung von der kleineren Einheit). In den meisten Ländern müssen die Etiketten von industrialisierten Lebensmitteln den Nährwert in (Kilo oder großen) Kalorien pro Portion oder pro Gewicht angeben.

Kalorien beziehen sich direkt auf das metrische System und damit auf das SI-System . Es gilt in der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit der Einführung des SI-Systems als obsolet, wird aber immer noch verwendet. Die SI-Einheit der Energie ist Joule . Eine Kalorie ist als genau 4,184 J definiert und eine Kalorie (Kilokalorie) ist 4184 J.

Geschichte

Die Kalorie wurde erstmals von Nicolas Clément als Einheit der Wärmeenergie in Vorlesungen in den Jahren 1819–1824 eingeführt. Dies war die "große" Kalorie, nämlich. moderne Kilokalorie. Der Begriff ging zwischen 1841 und 1867 in französische und englische Wörterbücher ein. Er kommt vom lateinischen kalor  „Wärme“.

Die „kleine“ Kalorie (moderne Kalorien) durch Pierre Antoine Favre (Chemiker) und Johann T. Silbermann (Physiker) im Jahr 1852. Im Jahr 1879 eingeführt wurde, Marcellin Berthelot unterschied zwischen Gramm-Kalorien (moderne Kalorien) und Kilogramm-Kalorien (moderne kilocalorie ). Berthelot führte auch die Konvention ein, die Kilogramm-Kalorie als Kalorie groß zu schreiben .

Die Verwendung von Kilogramm-Kalorien (kcal) für die Ernährung wurde 1887 von Wilbur Olin Atwater , einem Professor an der Wesleyan University , der amerikanischen Öffentlichkeit vorgestellt .

Die moderne Kalorieneinheit (cal) wurde erstmals 1896 als Einheit des cm-gs-Systems (cgs) erkannt , neben der bereits bestehenden cgs-Energieeinheit, dem erg (von Clausius erstmals 1864 unter dem Namen ergon vorgeschlagen ) und 1882 offiziell angenommen).

Bereits 1928 gab es ernsthafte Beschwerden über die mögliche Verwirrung, die sich aus den beiden Hauptdefinitionen der Kalorien ergeben könnte, und ob die Idee, sie mit Großbuchstaben zu unterscheiden, vernünftig sei. Die Verwendung der Kalorien wurde 1948 von der neunten Generalkonferenz für Maß und Gewicht offiziell eingestellt .

Die alternative Schreibweise Kalorien ist archaisch.

Definitionen

Die moderne (kleine) Kalorienmenge ist definiert als die Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 °C (oder 1 K, was der gleiche Wert entspricht) zu erhöhen. Die Definition hängt vom Atmosphärendruck und der Starttemperatur ab. Dementsprechend wurden mehrere verschiedene genaue Definitionen der Kalorien verwendet.

Name Symbol Konvertierungen Definition und Hinweise
Thermochemische Kalorien cal th 4,184  J

≈ 0.003 964  BTU ≈ 1,162 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2.611 × 10 19  eV

Die Energiemenge entspricht genau 4,184 J ( Joule ) und 1 kJ = 0,239 kcal. (a) .
4 °C Kalorien Kal 4 4,204 J

≈ 0,003 985  BTU ≈ 1,168 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2,624 × 10 19  eV

Die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Gramm luftfreies Wasser von 3,5 auf 4,5 °C bei normalem Atmosphärendruck zu erwärmen. (C)
15 °C Kalorien Kal 15 4.1855 J

≈ 0,003 9671  BTU ≈ 1,1626 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2,6124 × 10 19  eV

Die Energiemenge, die benötigt wird, um ein Gramm luftfreies Wasser von 14,5 auf 15,5 °C bei normalem Atmosphärendruck zu erwärmen. (c) Experimentelle Werte dieser Kalorie reichten von 4,1852 bis 4,1858 J. Das CIPM veröffentlichte 1950 einen mittleren experimentellen Wert von 4,1855 J und stellte eine Unsicherheit von 0,0005 J fest.
20 °C Kalorien Kal 20 4.182 J

≈ 0,003 964  BTU ≈ 1,162 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2,610 × 10 19  eV

Die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Gramm luftfreies Wasser von 19,5 °C auf 20,5 °C bei normalem Atmosphärendruck zu erwärmen. (C)
Mittlere Kalorien cal bedeuten 4.190 J

≈ 0,003 971  BTU ≈ 1,164 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2,615 × 10 19  eV

Definiert als 1100 der Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Gramm luftfreies Wasser von 0 auf 100 °C bei normalem atmosphärischem Druck zu erwärmen. (C)
Internationale Dampftabelle Kalorien (1929) 4.1868 J

≈ 0,003 9683  BTU ≈ 1,1630 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2,6132 × 10 19  eV

Definiert als 1860 „international“ Wattstunden = genau 18043 „international“ Joule. (B)
Internationale Dampftabelle Kalorien (1956) kal IT 4.1868 J

≈ 0,003 9683  BTU = 1,1630 × 10 −6  kW⋅h ≈ 2,6132 × 10 19  eV

Definiert als 1,163 mW⋅h = 4,1868 J genau. Diese Definition wurde von der Fifth International Conference on Properties of Steam (London, Juli 1956) übernommen.
(a) Die „thermochemische Kalorie“ wurde von Rossini einfach als 4,1833 internationale Joule definiert, um die mit Unsicherheiten über die Wärmekapazität von Wasser verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden. Es wurde später als 4.1840 J genau neu definiert.
(b) Der Wert hängt vom Umrechnungsfaktor zwischen "internationalen Joule" und "absoluten" (modernen, SI) Joule ab. Unter Verwendung des mittleren internationalen Ohms und Volts (1.000 49  Ω ,1.000 34  V ), das "internationale Joule" beträgt ca.1.000 19  J , unter Verwendung des internationalen US-Ohms und -Volts (1.000 495  Ω ,1.000 330  V ) es geht um1.000 165  J , gebend4.186 84 und4,186 74  J .
(c) Der Standard - Luftdruck kann getroffen werden101,325 kPa .

Die beiden gebräuchlichsten Definitionen in der älteren Literatur scheinen die 15 ° C - Kalorie und die thermochemische Kalorie zu sein . Letzteres war bis 1948 definiert als 4,1833 internationale Joule; der aktuelle Standard von 4,184 J wurde gewählt, damit die neue thermochemische Kalorie die gleiche Energiemenge wie zuvor darstellt.

Die Kalorie wurde erstmals speziell zur Messung von Energie in Form von Wärme definiert, insbesondere in der experimentellen Kalorimetrie .

Ernährung

Im ernährungswissenschaftlichen Kontext ist Kilojoule (kJ) die SI- Einheit der Nahrungsenergie, obwohl die Kalorien häufig verwendet werden. Das Wort Kalorien wird häufig mit der Anzahl der Kilokalorien (kcal) der gemessenen Nahrungsenergie verwendet.

In den Vereinigten Staaten ziehen die meisten Ernährungswissenschaftler die Einheit Kilokalorie der Einheit Kilojoule vor, während die meisten Physiologen lieber Kilojoule verwenden. In den meisten anderen Ländern ziehen Ernährungswissenschaftler das Kilojoule der Kilokalorie vor. US-amerikanische Lebensmittelkennzeichnungsgesetze verlangen die Verwendung von Kilokalorien (unter dem Namen "Kalorien"); Kilojoule dürfen neben Kilokalorien auf Lebensmitteletiketten angegeben werden, aber die meisten Lebensmitteletiketten tun dies nicht. In Australien werden Kilojoule offiziell den Kilokalorien vorgezogen, aber Kilokalorien werden bis zu einem gewissen Grad gerne verwendet. Australische und neuseeländische Lebensmittelkennzeichnungsgesetze verlangen die Verwendung von Kilojoule; Kilokalorien dürfen zusätzlich zu Kilojoule auf Etiketten angegeben werden, sind aber nicht erforderlich. Die EU-Lebensmittelkennzeichnungsgesetze verlangen sowohl Kilojoule als auch Kilokalorien auf allen Nährwertkennzeichnungen, wobei die Kilojoule zuerst aufgeführt sind.

Um den Vergleich zu erleichtern, werden spezifische Energie- oder Energiedichtezahlen oft als "Kalorien pro Portion" oder "kcal pro 100 g" angegeben. Ein Nährstoffbedarf oder -verbrauch wird oft in Kalorien oder Kilokalorien pro Tag ausgedrückt.

Nahrungsnährstoffe wie Fett (Lipide) enthalten 9 Kilokalorien pro Gramm (kcal/g), während Kohlenhydrate (Zucker) oder Protein ungefähr 4 kcal/g enthalten. Alkohol in Lebensmitteln enthält 7 kcal/g. Lebensmittelnährstoffe werden auch oft „pro 100 g“ genannt.

Chemie

In anderen wissenschaftlichen Zusammenhängen bezieht sich der Begriff Kalorie fast immer auf die kleine Kalorie. Obwohl es keine SI-Einheit ist, wird es dennoch in der Chemie verwendet. Beispielsweise wird die bei einer chemischen Reaktion pro Mol Reagenz freigesetzte Energie gelegentlich in Kilokalorien pro Mol ausgedrückt . Typischerweise beruhte diese Verwendung hauptsächlich auf der Einfachheit, mit der sie in Laborreaktionen berechnet werden konnte, insbesondere in wässriger Lösung : ein in Wasser gelöstes Reagensvolumen, das eine Lösung bildet, mit einer Konzentration in Mol pro Liter (1 Liter mit einem Gewicht von 1 Kilogramm) , eine Temperaturänderung in Grad Celsius im Gesamtvolumen des Lösungsmittels Wasser induziert, und diese Größen (Volumen, molare Konzentration und Temperaturänderung) können dann verwendet werden, um die Energie pro Mol zu berechnen. Gelegentlich wird es auch verwendet, um Energiegrößen anzugeben, die sich auf die Reaktionsenergie beziehen, wie die Bildungsenthalpie und die Größe von Aktivierungsbarrieren . Seine Verwendung wird jedoch von der SI-Einheit Joule und Vielfachen davon wie dem Kilojoule abgelöst.

Messung des Energiegehalts von Lebensmitteln

In der Vergangenheit wurde ein Bombenkalorimeter verwendet, um den Energiegehalt von Lebensmitteln zu bestimmen, indem eine Probe verbrannt und eine Temperaturänderung im umgebenden Wasser gemessen wurde. Heute wird diese Methode in den USA nicht gebräuchlich und wurde ersetzt durch die indirekte Berechnung des Energiegehalts aus der Addition der Energie, die durch energiehaltige Nährstoffe der Nahrung (wie Proteine, Kohlenhydrate und Fette) bereitgestellt wird, das Modified Atwater- System . Der Ballaststoffgehalt wird auch abgezogen, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass Ballaststoffe vom Körper nicht verdaut werden.

Siehe auch

Verweise