Теория:
При расчёте задач в современной физике единицей измерения энергии и теплоты является джоуль. Эта единица измерения была введена в \(1889\) году.
Калорию как единицу измерения тепла предложил Йохан Карл Вильке (\(1732\)–\(1796\)) — шведский физик-экспериментатор. Он измерил удельную теплоёмкость твёрдых тел в \(1772\) году. Более века калория являлась единственной признанной наукой единицей измерения количества тепловой энергии.
Калория — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания \(1\) г воды на \(1°C\).
\(1\) кал \(= 4,19\) Дж \(≈ 4,2\) Дж.
Термин «калория» (от латинского «calor» — тепло) ввёл в научный оборот французский химик (рис. \(1\)) Николя Клеман-Дезорм (\(1779\)–\(1841\)).
Рис. \(1\). Николя Клеман-Дезорм
Его определение калории как единицы измерения тепла было впервые опубликовано в \(1824\) году в журнале «Le Producteur», а во французских словарях оно появилось в \(1842\) году.
Однако задолго до появления этого термина были сконструированы первые калориметры — приборы для измерения теплоты.
Первый калориметр изобрёл английский химик (рис. \(2\)) Джозеф Блэк и в \(1759\)–\(1763\) годах с его помощью определил теплоёмкости разных веществ, скрытую теплоту плавления льда и испарения воды.
Рис. \(2\). Джозеф Блэк
Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские учёные (рис. \(3\), \(4\)) Антуан Лоран Лавуазье (\(1743\)–\(1794\)) и Пьер-Симон Лаплас (\(1749\)–\(1827\)).
Рис. \(3\). Антуан Лоран Лавуазье
Рис. \(4\). Пьер-Симон Лаплас
В \(1780\) году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию.
Это понятие встретилось ещё в \(XVIII\) веке в трудах шведского физика (рис. \(5\)) Йохана Карла Вильке (\(1732\)–\(1796\)), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.
Рис. \(5\). Йохан Карл Вильке
Устройство, которое впоследствии начали называть калориметром, Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. Тогда ещё не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения.
Рис. \(6\). Изображение первого калориметра
Первый калориметр был ледяным (рис. \(6\)). Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лёд не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лёд. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.
Этот прибор позволил Лавуазье и Лапласу измерить теплоту многих химических реакций: сгорания угля, водорода, фосфора, чёрного пороха. Своими работами они заложили основы термохимии и сформулировали её основной принцип.
Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя своё состояние, происходят в обратном порядке, когда система вновь возвращается в своё первоначальное состояние.
Иными словами, чтобы разложить воду на водород и кислород, надо затратить столько же энергии, сколько выделяется при реакции водорода с кислородом с образованием воды.
В том же \(1780\) году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от её дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии.
Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счёт которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.
В \(XIX\) веке благодаря стараниям знаменитого французского химика (рис. \(7\)) Марселена Бертло (\(1827\)–\(1907\)), который опубликовал более \(200\) работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы — водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба (рис. \(8\)).
Рис. \(7\). Марселен Бертло
Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нём можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях — горении и взрыве.
Рис. \(8\). Изображение калориметрической бомбы
Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.
В похожем калориметре в \(30\)-х годах \(XIX\) века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик (рис. \(9\)) Юстус фон Либих (\(1803\)–\(1873\)), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища — это топливо для организма, как дрова для печки.
Рис. \(9\). Юстус фон Либих
Рис. \(10\). Юлиус фон Майер
Либих назвал эти дрова: белки, жиры и углеводы. Он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. На основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером (рис. \(10\)) составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.
Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик (рис. \(11\)) Уилбур Олин Этуотер (\(1844\)–\(1907\)).
Рис. \(11\). Уилбур Олин Этуотер
Этуотер первым додумался измерять энергоёмкость компонентов пищи и придумал схему подсчёта калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (\(1869\)–\(1871\)) Этуотер провёл в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.
Сегодня Этуотера называют отцом диетологии. Значения калорийности углеводов (\(4\) ккал/г), белков (\(4\) ккал/г) и жиров (\(9\) ккал/г) впервые экспериментально получил Этуотер. Но и теперь, спустя \(120\) лет, диетологи используют эти цифры при подсчёте энергетической ценности продуктов питания. Система Этуотера по сей день лежит в основе маркировки продуктов. И в этом смысле, как верно подметил кто-то из журналистов, Уилбур Этуотер — самый цитируемый учёный в мире.
Источники:
Рис. 6. Автор: A. Arsonval. Original uploader was Cumulus at nl.wikipedia — Lumiere electrique 18 oktover 1884. Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8652828.
Рис. 8. By Mmmmm at Czech Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63238360.