Στο πιο βασικό της επίπεδο, η θερμιδομετρία είναι η επιστήμη της απορρόφησης και της απώλειας θερμότητας. Μετρά τις ενεργειακές αλλαγές σε μια δεδομένη ουσία και δίνει στους παρατηρητές και τους ερευνητές κάποια ιδέα για το πόση ενέργεια απαιτείται για να διασπαστεί αυτή η ουσία ή να προκαλέσει την αλλαγή της. Μια χημική διαδικασία μπορεί είτε να απορροφήσει είτε να απελευθερώσει ενέργεια και πολλές φορές αυτή η ενέργεια έχει τη μορφή θερμότητας. Η διατροφική ανάλυση είναι μια από τις πιο κοινές χρήσεις για αυτές τις πληροφορίες. Τα τρόφιμα διασπώνται σε ενέργεια κατά τη διάρκεια της πέψης και αυτό έχει ένα μετρήσιμο ενεργειακό κόστος, αλλά τα μέταλλα και άλλες ουσίες μπορούν επίσης να διασπαστούν, συνήθως όταν εκτίθενται στην περιβαλλοντική θερμότητα. Η γνώση αυτών των περιστάσεων είναι σημαντική για τους ανθρώπους της μηχανικής και άλλων συναφών επαγγελμάτων. Οι υπολογισμοί συνήθως γίνονται χρησιμοποιώντας μια συσκευή γνωστή ως θερμιδόμετρο και ανάλογα με τη φύση και την απαιτούμενη ιδιαιτερότητα της δοκιμής, αυτοί μπορεί να είναι είτε πολύ απλοί είτε αρκετά περίπλοκοι. Το κλειδί είναι συνήθως η ικανότητα μέτρησης των αλλαγών θερμοκρασίας με την πάροδο του χρόνου.
Βασική ιδέα
Η θερμιδομετρία ως επιστήμη είναι κάπως περίπλοκη, και η κατανόηση των βαθύτερων λειτουργιών της απαιτεί συνήθως τόσο σταθερή κατανόηση της βασικής φυσικής όσο και της θερμοδυναμικής. Ωστόσο, από μια πιο βασική προοπτική, οι υπολογισμοί μπορούν να θεωρηθούν ως τρόποι προσδιορισμού της εγγενούς ενέργειας μιας ουσίας με βάση τη θερμότητα που είτε εκπέμπει είτε απορροφά. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας είναι συνήθως η κεντρική εστίαση. Η παρατήρηση των μεταβολών της θερμοκρασίας σε μια ουσία με την πάροδο του χρόνου μπορεί να δώσει μετρήσιμη εικόνα για το πόση ενέργεια είτε παίρνει είτε δίνει.
Γιατί είναι σημαντικό
Οι περισσότερες ενώσεις, από σκληρά μέταλλα έως ουσίες τροφίμων, περιέχουν ακατέργαστη ενέργεια, αλλά συνήθως δεν κάνουν τίποτα εκτός εάν η ουσία υποστεί κάποια αλλαγή. Όταν τα πράγματα θερμαίνονται, για παράδειγμα, ή εκτίθενται σε άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες, η λανθάνουσα ενέργεια συχνά μετατρέπεται σε κάτι που είναι μετρήσιμο. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διασπώνται οι ουσίες και των συνθηκών κάτω από τις οποίες συμβαίνει αυτό είναι πολύ σημαντικό για πολλές διαφορετικές εφαρμογές.
Πώς Λειτουργεί
Οι επιστήμονες συνήθως χρησιμοποιούν εργαλεία γνωστά ως θερμιδόμετρα για να μετρήσουν την ποσότητα θερμότητας που απορροφά ή απελευθερώνει μια αντίδραση. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι. Πολλοί μαθητές φυσικών επιστημών γυμνασίου είναι εξοικειωμένοι με μια πολύ βασική μορφή θερμιδομετρίας που διεξάγεται σε ένα κύπελλο αφρού. το κύπελλο λειτουργεί ως μονωτικό και οι μαθητές το χρησιμοποιούν για να μετρήσουν τις αλλαγές θερμοκρασίας του νερού με την πάροδο του χρόνου. Τα αποτελέσματα αυτού του είδους πειράματος μπορούν να δώσουν στους μαθητές μια βασική κατανόηση των μετρήσεων ενέργειας, αλλά συνήθως δεν είναι αρκετά ακριβή για πιο σοβαρές προσπάθειες.
Οι πιο σοβαροί υπολογισμοί χρειάζονται συνήθως πιο εντατικά εργαλεία. Μια συσκευή γνωστή ως θερμιδόμετρο βόμβας είναι ένα πολύ συνηθισμένο παράδειγμα. Αυτό το κομμάτι του εξοπλισμού είναι συνήθως κατασκευασμένο από ένα χαλύβδινο περίβλημα – μια “βόμβα” – που δεν αλλάζει σε όγκο. Τα αντιδρώντα τοποθετούνται στο εσωτερικό της βόμβας και η βόμβα τοποθετείται μέσα σε ένα άλλο δοχείο γεμάτο με νερό. Στη συνέχεια σημειώνεται η θερμοκρασία του νερού και η αντίδραση, συχνά με τη μορφή έκρηξης, αφήνεται να λάβει χώρα.
Εκτέλεση του πειράματος
Πριν λάβει χώρα η αντίδραση, οι ουσίες στη βόμβα συνήθως τίθενται υπό ακραία πίεση με την προσθήκη οξυγόνου. Οι επιστήμονες πρέπει επίσης να λάβουν υπόψη τη θερμική ικανότητα της συσκευής προτού μπορέσουν να προσδιορίσουν πόση θερμότητα απορροφάται ή απελευθερώνεται. Η θερμοχωρητικότητα είναι μια μέτρηση της θερμότητας που χρειάζεται για να ανυψωθεί η συσκευή κατά ένα βαθμό Κελσίου. Μετά την αντίδραση μετράται η θερμοκρασία του νερού. Αφού γίνουν γνωστές όλες αυτές οι τιμές, τότε ένας επιστήμονας είναι σε θέση να υπολογίσει την ποσότητα θερμότητας που απορροφήθηκε ή χάθηκε.
Ρόλος στους Διατροφικούς Υπολογισμούς
Οι υπολογισμοί θερμίδων χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, αλλά κυρίως στα τρόφιμα. Όλα τα τρόφιμα περιέχουν ένα ορισμένο θερμιδικό περιεχόμενο, το οποίο είναι βασικά μια περιγραφή της ποσότητας ενέργειας που παρέχουν – η οποία με τη σειρά της κάνει μια δήλωση σχετικά με το πόση εργασία θα πρέπει να παράγει ένα άτομο για να «κάψει» ή να «εξαντλήσει» αυτή την πρόσληψη. Οι περισσότεροι κατασκευαστές συσκευασμένων τροφίμων σε όλο τον κόσμο υπολογίζουν το θερμιδικό περιεχόμενο των προϊόντων που παράγουν και τυπώνουν αυτή τη μέτρηση στη συσκευασία.
Σε γενικές γραμμές, μια θερμίδα είναι μια μέτρηση της θερμότητας και αντιπροσωπεύει πόση θερμότητα χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου καθαρού νερού κατά ένα βαθμό Κελσίου. Η θερμίδα κεφαλαίου C που εμφανίζεται συνήθως στις συσκευασίες τροφίμων είναι στην πραγματικότητα μια χιλιοθερμίδα: δηλαδή 1,000 θερμίδες. Ορισμένες χώρες δεν χρησιμοποιούν θερμίδες ως μέτρηση της ενέργειας των τροφίμων τους, αλλά μάλλον περιγράφουν την ενέργεια των τροφίμων σε joules. Υπάρχουν περίπου 4.2 τζάουλ σε κάθε θερμίδα.
Όταν χρησιμοποιείται θερμιδομετρία για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε θερμίδες των τροφίμων, τα αφυδατωμένα τρόφιμα τοποθετούνται σε ένα θερμιδόμετρο βόμβας. Στη συνέχεια, το τρόφιμο καίγεται για να διαπιστωθεί η ποσότητα ενέργειας που έχει το φαγητό. Έτσι, όταν ένα άτομο τρώει ένα προϊόν που έχει 100 χιλιοθερμίδες (περίπου 4,200 τζάουλ), θα χρειαστούν 100 χιλιοθερμίδες (περίπου 4,200 τζάουλ) για να το κάψει.