Калориметры: как подсчет калорий стал наукой и повлиял на парогенераторы

история техники Это действительно захватывающе. В то время как наука сейчас переживает «непростые» времена, технологическая наука процветает. Поразительно оглянуться назад и увидеть, как возникли концепции, которые сегодня кажутся обыденными, но еще совсем недавно они были революционными.

Так обстоит дело с концепцией «считать калории«Из того, что мы едим, поскольку мы можем узнать, сколько калорий содержится в продукте, сколько калорий нам нужно в день, и, что наиболее важно...» Это ровно одна калория.

Всё это и многое другое мы рассмотрим в этом выпуске. Исторический доклад о происхождении калориметра.Начнём! Давайте рассмотрим его эволюцию и области применения, выходящие за рамки (что само по себе немаловажно) простого знания количества калорий в любом виде пищи!

Начало концепции «подсчета калорий».

Начало нового года означает очередную попытку уделять больше внимания своему питанию, с бесконечной надеждой на уменьшение талии, улучшение физической формы и здоровья. Естественно, наши мысли обращаются к подсчету калорий как к идеальному решению. Уилбур О. Этуотер кто ввел калории в качестве единицы измерения энергии пищевых продуктов для американской общественности.

Этуотер был профессором химии в Уэслианский университет в Коннектикуте, с 1873 по 1907 год.Ее интерес к питанию и метаболизму развивался со временем, особенно после поездки в Мюнхен, где она узнала о немецких методах анализа питательной ценности продуктов питания. Он исследовал взаимосвязь между химической энергией пищи и ручным трудом.потому что он хотел убедиться, что рабочие получают правильное питание.

В 1887Этуотер опубликовал статью под названием «Потенциальная энергия пищи«, в котором он определил калорию как Количество теплоты, которое повысит температуру одного килограмма воды на один градус Цельсия. (или один фунт воды при 4 градусах по Фаренгейту). Он хотел показать, что единица тепла может быть единицей механической энергии, поэтому он также определил калорию как 1,53 фут-тонны, то есть силу, необходимую для подъема одной тонны на один фут (30,48 см).

Как на самом деле работает калориметр?

В своей статье Этуотер указал калорийность различных продуктов на фунт (0,45 кг). Его данные основывались на его собственных оценках. количество питательных веществ, белков, жиров и углеводов в каждом продуктев дополнение к некоторым экспериментам. Хотя современные данные о калорийности этих продуктов несколько отличаются от данных Этуотера, мы по-прежнему используем его оценки, согласно которым один грамм белка содержит 4,1 калории, а один грамм липидов — 9,3 калории.

Одним из инструментов, которые Этуотер использовал в своих экспериментах, был бомбовый калориметрЭтот инструмент, который уже тогда широко использовался, Он измеряет количество тепла, выделяемого в ходе реакции.Образец помещают в стальной реакционный сосуд, называемый бомбой, который погружают в воду. Электрический ток воспламеняет образец, а водяная баня поглощает выделяющееся тепло. Температуру воды регистрируют через определенные интервалы времени.

Этуотер, вместе с физиком из Уэслианский Эдвард Роуз и химик Франциск БенедиктОн также разработал дыхательный калориметр. Это позволило ученым оценить количество калорий, потребляемых человеком, путем измерения потребления кислорода, выделения углекислого газа и, как следствие, количества выделяемого тепла.

Калориметр представлял собой медный ящик размером 1,8 х 1,4 х 2,1 метра в высоту, 1,4 метра в ширину и 1,2 метра в глубину, облицованный деревом и цинком для поддержания постоянной температуры. Испытуемый находился в ящике до 12 дней, выполняя различные заданные задачи, от отдыха до физических упражнений. Эти исследования легли в основу понимания скорости метаболизма.

Вот так мы и пришли к подсчету калорий… только вот это не совсем так…

Определение калорийности заняло десятилетия, а затем наступил июль.

Этуотер не ввёл термин «калория». Это различие обычно приписывают... Николас Клементпрофессор химии Парижская консерватория искусств и ремеселВ 1819 году Клеман читал курс промышленной химии и ему понадобилась единица измерения теплоты, чтобы объяснить, как паровые двигатели преобразуют тепло в работу.

Он вывел понятие калории, определив её как количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 кг воды на 1 °C, — то же определение, которое позже использовал Этуотер. Однако, Клеман уточнил, что измерение проводилось в диапазоне от 0 до 1 °C.Ученые приняли определение Клемана, и калория вошла во французские учебники физики.

Среди этих текстов были два, написанные французским физиком. Адольф Ганот которые были переведены на несколько языков. Университеты в Европе и Соединенных Штатах использовали эти популярные учебники до начала XX века. Таким образом, «Калория» Клемана вошла в английский язык.

Однако между тем циркулировало и другое определение калории. В 1852французский химик Пьер Фавр и французский физик Иоганн Зильберман Они определили калории следующим образом:

Количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия.

Разница в масштабе составляет 1.000! Фавр и Зильберманн опубликовали множество работ, и немецкие ученые приняли их определение.

В поисках консенсуса относительно единицы измерения калорий.

В 1870-е годыПротиворечивые определения калории побудили французского химика Марселино Бертело Чтобы провести различие. Он определил калорию (с маленькой буквы «с») как грамм-калорию, как это сделали Фавр и Зильберман, и калорию (с заглавной буквы «с») как килограмм-калорию, как это сделал Клеман.

В свою очередь, калория, написанная строчными буквами, стала известна как «маленькая калория», а калория, написанная заглавными буквами, — как «большая калория». В 1894 году американский врач... Джозеф Раймондв своем классическом учебнике «Руководство по физиологии человека«Он сделал предложение» называть большую калорию килокалориейОднако этот термин вошел в моду лишь несколько лет спустя.

Тем временем, «Британская ассоциация содействия развитию науки Я работала в совершенно другом энергетическом подразделении: Июль. В 1882, Уильям Сименс Он предложил это в июле во время своей инаугурационной речи в качестве президента BAAS.

Сбитые с толку количеством калорий, представители Siemens заявили:

«Неудобство такой произвольной единицы измерения достаточно очевидно, чтобы оправдать введение единицы, основанной на электромагнитной системе».

Он определил июль следующим образом: Энергия, рассеиваемая в виде тепла, когда электрический ток силой в один ампер проходит через сопротивление в один ом в течение одной секунды.

Таким образом, когда Этуотер проводил свои исследования в области питания, он мог выбирать единицы измерения тепловой энергии:

• О калорийности рациона Клемана я мог бы прочитать в переведенных Гано учебниках.
• О калорийности рациона Фавра и Зильбермана он, вероятно, узнал во время своей постдокторской стажировки в Германии.
• И, будучи человеком науки, он, вероятно, слышал о предложенном джоуле, хотя определение Сименса было принято лишь в 1889 году на втором Международном конгрессе по электротехнике.

Джеймс Л. ХаргроувИсследователь из Университета Джорджии изучил историю калории и предлагает несколько предположений о том, почему Этуотер выбрал именно калорию (с большой буквы). Во-первых, это была единственная единица измерения энергии, указанная в американских словарях. И что более важно, калория имела приемлемый масштаб, вокруг которого Этуотер мог создать Рекомендуемая суточная норма потребления составляет 2.000 калорий.С другой стороны, ежедневное потребление в 2 миллиона калорий показалось бы чрезмерным.

Американские диетологи последовали примеру Этуотера, чему способствовало следующее: столы, которые Атвотер и его работники подготовились к Министерство сельского хозяйства США...содержание калорий, сопоставимое с калорийностью более 500 продуктов. дочь Этуотера, ХеленОн сотрудничал в своей лаборатории в течение десяти лет. После смерти отца в 1907 году он начал работать в... Управление внутренней экономики Министерства сельского хозяйства США.

И калорийность, и калорийность были официально признаны устаревшими в 1948 году. когда международное научное сообщество Джоуль был принят в качестве стандартной единицы энергии.Как отметил Сименс, наличие двух разных определений, различающихся только регистром букв и порядками величин, слишком сильно вносит путаницу. Тем не менее, по сей день на этикетках продуктов питания в США по-прежнему указывается количество калорий, в то время как в других странах значения приводятся как в ккал, так и в джоулях.

Калориметры помогли в проектировании парогенераторов.

Калории интересовали не только диетологов. В начале XX века спрос на электроэнергию резко возрос, и муниципалитеты во многих странах строили новые электростанции. С изобретением паровой турбиныГенераторы стали более сложными, а котлы работали при более высоких температурах и давлениях.

Инженеры были крайне необходимы данные о вашем паровом оборудованииОднако им не хватало общепринятых на международном уровне значений свойств воды и пара. Поэтому они обратились к калориметрам, что вернуло их к первоначальному замыслу Клемана: измерить работу, совершаемую паром.

От 1921 и на протяжении почти двух десятилетий, Натан Осборн, Гарольд Стимсон и Дефо Джиннингс работа в ла Национальное бюро стандартов США (ныне Национальный институт стандартов и технологий) занимался именно этим вопросом. Команда разработала элегантный калориметр, изображенный ниже, для изучения теплоемкости и теплоты испарения воды при температурах до 100 °C.

Прибор (из которого сделана выемка, чтобы показать его внутреннее устройство) работал аналогично бомбовым калориметрам, использовавшимся Этуотером. Сферический внутренний корпус содержал образец воды.Энергия подавалась посредством электрического тока, и ученые наблюдали за изменением состояния вещества. Полученные данные легли в основу проектирования и оценки парового силового оборудования. до десятилетия 1960.

Как отметил Осборн в своем отчете 1925 года: «Калориметрия жидкости«принятие и совершенствование электрические нагреватели, резистивные термометры и термопары Благодаря им калориметры стали надежным и точным методом измерения в тепловых исследованиях.

Таким образом, будь то расчет энергетической ценности пищи или теплоемкости воды, Калориметры на протяжении более двух столетий являлись ценными инструментами для химиков, физиков и инженеров.Вступая в новый год, и поскольку многие из нас снова заинтересовались калориями, кажется уместным отдать должное приборам, которые их подсчитывают.