Paprasčiausiu kalorimetrija yra šilumos absorbcijos ir praradimo mokslas. Jis matuoja energijos pokyčius tam tikroje medžiagoje ir suteikia stebėtojams bei tyrinėtojams tam tikrą supratimą apie tai, kiek energijos reikia šiai medžiagai suskaidyti arba pakeisti. Cheminis procesas gali absorbuoti arba išleisti energiją, ir dažnai ši energija yra šilumos pavidalu. Mitybos analizė yra vienas iš dažniausiai šios informacijos panaudojimo būdų. Virškinimo metu maistas skyla į energiją, o tai kainuoja išmatuojamą energijos kainą, tačiau metalai ir kitos medžiagos taip pat gali suskaidyti, dažniausiai veikiami aplinkos šilumos. Šių aplinkybių žinojimas yra svarbus inžinerijos ir kitų susijusių profesijų žmonėms. Skaičiavimai paprastai atliekami naudojant prietaisą, žinomą kaip kalorimetras, ir, atsižvelgiant į bandymo pobūdį ir reikalingą specifiškumą, jie gali būti labai paprasti arba gana sudėtingi. Svarbiausia paprastai yra galimybė nuosekliai matuoti temperatūros pokyčius laikui bėgant.
Pagrindinė koncepcija
Kalorimetrija kaip mokslas yra šiek tiek sudėtingas, o norint suprasti gilesnį jos veikimą, paprastai reikia tvirtai suprasti pagrindinę fiziką ir termodinamiką. Tačiau žvelgiant iš pagrindinės perspektyvos, skaičiavimai gali būti laikomi būdais, kaip nustatyti medžiagos savąją energiją, remiantis šiluma, kurią ji išskiria arba sugeria. Paprastai pagrindinis dėmesys skiriamas temperatūros matavimams. Stebint medžiagos temperatūros pokyčius laikui bėgant, galima išmatuoti, kiek energijos ji sunaudoja arba duoda.
Kodėl tai svarbu
Daugumoje junginių, nuo kietųjų metalų iki maistinių medžiagų, yra neapdorotos energijos, tačiau ji paprastai nieko nedaro, nebent medžiaga pasikeistų. Pavyzdžiui, kai daiktai šildomi arba veikiami kitų aplinkos veiksnių, latentinė energija dažnai virsta kažkuo, ką galima išmatuoti. Supratimas, kaip medžiagos skyla ir kokiomis sąlygomis tai vyksta, yra labai svarbus daugeliui skirtingų programų.
Kaip tai veikia?
Mokslininkai paprastai naudoja įrankius, žinomus kaip kalorimetrai, norėdami išmatuoti reakcijos metu sugeriamą arba išskiriamą šilumos kiekį. Yra keletas skirtingų tipų. Daugelis vidurinės mokyklos gamtos mokslų studentų yra susipažinę su labai paprasta kalorimetrijos forma, atliekama putų puodelyje; puodelis veikia kaip izoliatorius, o mokiniai juo matuoja vandens temperatūros pokyčius laikui bėgant. Šio tipo eksperimento rezultatai gali suteikti studentams pagrindinį supratimą apie energijos matavimus, tačiau paprastai nėra pakankamai tikslūs rimtesnėms pastangoms.
Rimtesniems skaičiavimams dažniausiai reikia intensyvesnių įrankių. Prietaisas, žinomas kaip bombos kalorimetras, yra labai dažnas pavyzdys. Ši įranga paprastai yra pagaminta iš plieninio korpuso – „bombos“, kurios tūris nesikeis. Reagentai dedami į bombos vidų, o bomba dedama į kitą talpyklą, užpildytą vandeniu. Tada pažymima vandens temperatūra ir leidžiama įvykti reakcijai, kuri dažnai būna sprogimo forma.
Eksperimento vykdymas
Prieš vykstant reakcijai, bomboje esančios medžiagos paprastai yra veikiamos itin didelio slėgio pridedant deguonies. Mokslininkai taip pat turi atsižvelgti į prietaiso šiluminę galią, kad galėtų nustatyti, kiek šilumos sugeria arba išleidžia. Šilumos talpa yra matas, kiek šilumos reikia prietaisui pakelti vienu laipsniu Celsijaus. Po reakcijos matuojama vandens temperatūra. Kai žinomos visos šios reikšmės, mokslininkas gali apskaičiuoti sugertą ar prarastą šilumos kiekį.
Vaidmuo skaičiuojant mitybą
Kalorijų skaičiavimas naudojamas daugelyje programų, bet ypač su maistu. Visuose maisto produktuose yra tam tikras kalorijų kiekis, kuris iš esmės apibūdina, kiek energijos jie suteikia, o tai savo ruožtu parodo, kiek darbo žmogus turės pagaminti, kad „sudegintų“ arba „išdirbtų“ tą suvartojamą kiekį. Dauguma supakuotų maisto produktų gamintojų visame pasaulyje apskaičiuoja savo gaminamų prekių kaloringumą ir šį matavimą atspausdina ant pakuotės.
Plačiąja prasme kalorija yra šilumos matas ir parodo, kiek šilumos reikia vieno gramo gryno vandens temperatūrai padidinti vienu laipsniu Celsijaus. Ant maisto pakuočių dažniausiai nurodoma didžioji C kalorija iš tikrųjų yra kilokalorija: tai yra 1,000 kalorijų. Kai kurios šalys nenaudoja kalorijų kaip maisto energijos matavimo, o apibūdina maisto energiją džauliais. Kiekvienoje kalorijoje yra maždaug 4.2 džaulio.
Kai kalorimetrija naudojama maisto kalorijų kiekiui nustatyti, dehidratuoti maisto produktai dedami į bombos kalorimetrą. Tada maistas sudeginamas, kad būtų nustatytas maisto energijos kiekis. Taigi, kai žmogus suvalgo 100 kilokalorijų (apie 4,200 džaulių) turintį daiktą, jam sudeginti prireiks 100 kilokalorijų (apie 4,200 džaulių).