Visvienkāršākajā līmenī kalorimetrija ir zinātne par siltuma absorbciju un zudumiem. Tas mēra enerģijas izmaiņas noteiktā vielā un sniedz novērotājiem un pētniekiem priekšstatu par to, cik daudz enerģijas ir nepieciešams, lai šo vielu sadalītu vai izraisītu tās izmaiņas. Ķīmiskais process var absorbēt vai atbrīvot enerģiju, un daudzas reizes šī enerģija ir siltuma veidā. Uztura analīze ir viens no visizplatītākajiem šīs informācijas izmantošanas veidiem. Pārtika gremošanas laikā sadalās enerģijā, un tam ir izmērāmas enerģijas izmaksas, taču metāli un citas vielas var arī sadalīties, parasti pakļauti vides siltumam. Zināšanas par šiem apstākļiem ir svarīgas cilvēkiem, kas strādā inženierzinātnēs un citos saistītos amatos. Aprēķinus parasti veic, izmantojot ierīci, kas pazīstama kā kalorimetrs, un atkarībā no testēšanas veida un nepieciešamās specifikas tie var būt ļoti vienkārši vai diezgan sarežģīti. Galvenais parasti ir spēja konsekventi izmērīt temperatūras izmaiņas laika gaitā.
Pamatkoncepcija
Kalorimetrija kā zinātne ir nedaudz sarežģīta, un, lai izprastu tās dziļāko darbību, parasti ir nepieciešama stingra izpratne par fiziku un termodinamiku. Tomēr no vienkāršāka viedokļa aprēķinus var uzskatīt par veidiem, kā noteikt vielas raksturīgo enerģiju, pamatojoties uz siltumu, ko tā izdala vai absorbē. Temperatūras mērījumi parasti ir centrālais fokuss. Vērojot vielas temperatūras izmaiņas laika gaitā, var iegūt izmērāmu ieskatu par to, cik daudz enerģijas tā paņem vai dod.
Kāpēc tas ir svarīgi?
Lielākā daļa savienojumu, sākot no cietajiem metāliem līdz pārtikas vielām, satur neapstrādātu enerģiju, taču tas parasti neko nedara, ja vien viela netiek pakļauta kaut kādām izmaiņām. Piemēram, kad lietas tiek uzkarsētas vai pakļautas citiem vides faktoriem, latentā enerģija bieži pārvēršas par kaut ko izmērāmu. Izpratne par to, kā vielas sadalās un kādos apstākļos tas notiek, ir patiešām svarīga vairākiem dažādiem lietojumiem.
Kā tas darbojas
Zinātnieki parasti izmanto rīkus, kas pazīstami kā kalorimetri, lai izmērītu siltuma daudzumu, ko reakcija absorbē vai atbrīvo. Ir pāris dažādu veidu. Daudzi vidusskolu dabaszinātņu studenti ir pazīstami ar ļoti vienkāršu kalorimetrijas veidu, ko veic putu kausā; kauss darbojas kā izolators, un skolēni to izmanto, lai izmērītu ūdens temperatūras izmaiņas laika gaitā. Šāda veida eksperimenta rezultāti var dot studentiem pamata izpratni par enerģijas mērījumiem, taču parasti tie nav pietiekami precīzi nopietnākiem centieniem.
Nopietnākiem aprēķiniem parasti ir nepieciešami intensīvāki instrumenti. Ierīce, kas pazīstama kā bumbas kalorimetrs, ir ļoti izplatīts piemērs. Šis aprīkojums parasti ir izgatavots no tērauda korpusa — “bumbas”, kura apjoms nemainīsies. Reaģentus ievieto bumbas iekšpusē, un bumbu ievieto citā traukā, kas piepildīts ar ūdeni. Pēc tam tiek atzīmēta ūdens temperatūra, un reakcijai, bieži vien sprādziena veidā, ir atļauts notikt.
Eksperimenta izpilde
Pirms reakcijas bumbā esošās vielas parasti tiek pakļautas lielam spiedienam, pievienojot skābekli. Zinātniekiem ir jāņem vērā arī ierīces siltuma jauda, pirms viņi var noteikt, cik daudz siltuma tiek absorbēts vai atbrīvots. Siltuma jauda ir mērījums, cik daudz siltuma nepieciešams, lai ierīci paceltu par vienu grādu pēc Celsija. Pēc reakcijas nosaka ūdens temperatūru. Kad visas šīs vērtības ir zināmas, zinātnieks spēj aprēķināt uzņemtā vai zaudētā siltuma daudzumu.
Loma uzturvērtības aprēķinos
Kaloriju aprēķini tiek izmantoti daudzos lietojumos, bet jo īpaši attiecībā uz pārtiku. Visi pārtikas produkti satur noteiktu kaloriju saturu, kas būtībā ir apraksts par to, cik daudz enerģijas tie nodrošina, un tas savukārt sniedz paziņojumu par to, cik daudz darba cilvēkam būs jāsagatavo, lai šo uzņemto daudzumu “sadedzinātu” vai “atstrādātu”. Lielākā daļa iepakotu pārtikas ražotāju visā pasaulē aprēķina savu ražoto preču kaloriju saturu un uzdrukā šo mērījumu uz iepakojuma.
Vispārīgi runājot, kalorija ir siltuma mērījums, un tas parāda, cik daudz siltuma ir nepieciešams, lai viena grama tīra ūdens temperatūru paaugstinātu par vienu grādu pēc Celsija. Uz pārtikas iepakojuma parasti norādītā lielā C kalorija patiesībā ir kilokalorija: tas ir, 1,000 kalorijas. Dažas valstis neizmanto kalorijas kā pārtikas enerģijas mērījumus, bet gan apraksta pārtikas enerģiju džoulos. Katrā kalorijā ir aptuveni 4.2 džouli.
Ja kalorimetriju izmanto, lai noteiktu pārtikas kaloriju saturu, dehidrētos pārtikas produktus ievieto bumbas kalorimetrijā. Pēc tam pārtika tiek sadedzināta, lai noskaidrotu pārtikas enerģijas daudzumu. Tādējādi, kad cilvēks ēd priekšmetu, kurā ir 100 kilokalorijas (apmēram 4,200 džouli), ķermenim būs nepieciešamas 100 kilokalorijas (apmēram 4,200 džouli), lai to sadedzinātu.