Na svojoj najosnovnijoj razini, kalorimetrija je znanost o apsorpciji i gubitku topline. Mjeri energetske promjene u danoj tvari i daje promatračima i istraživačima neku ideju o tome koliko je energije potrebno da se ta tvar razgradi ili izazove njezina promjena. Kemijski proces može apsorbirati ili osloboditi energiju, a mnogo puta je ta energija u obliku topline. Analiza prehrane jedna je od najčešćih upotreba ovih informacija. Hrana se tijekom probave razgrađuje u energiju i to ima mjerljivu cijenu energije, ali se metali i druge tvari također mogu razgraditi, obično kada su izložene toplini iz okoliša. Poznavanje ovih okolnosti važno je za ljude u strojarstvu i drugim srodnim zanatima. Izračuni se obično rade pomoću uređaja poznatog kao kalorimetar, a ovisno o prirodi i potrebnoj specifičnosti ispitivanja, oni mogu biti ili vrlo jednostavni ili prilično složeni. Ključna je obično sposobnost dosljednog mjerenja promjena temperature tijekom vremena.
Osnovni koncept
Kalorimetrija kao znanost donekle je komplicirana, a razumijevanje njezina dubljeg djelovanja obično zahtijeva i čvrsto razumijevanje osnovne fizike i termodinamike. Međutim, iz bazičnije perspektive, izračuni se mogu promatrati kao načini za određivanje inherentne energije tvari na temelju topline koju ispušta ili apsorbira. Mjerenja temperature obično su središnji fokus. Promatranje temperaturnih pomaka u tvari tijekom vremena može dati mjerljiv uvid u to koliko energije uzima ili daje.
Zašto je važno
Većina spojeva, sve od tvrdih metala do prehrambenih tvari, sadrži sirovu energiju, ali obično ne čini ništa osim ako se tvar ne podvrgne nekoj vrsti promjene. Kada se stvari zagrijavaju, na primjer, ili su izložene drugim čimbenicima okoliša, latentna energija često će se pretvoriti u nešto što je mjerljivo. Razumijevanje načina na koji se tvari razgrađuju i uvjeta pod kojima se to događa doista je važno za brojne različite primjene.
Kako to radi
Znanstvenici obično koriste alate poznate kao kalorimetri za mjerenje količine topline koju reakcija apsorbira ili oslobađa. Postoji nekoliko različitih vrsta. Mnogi srednjoškolci prirodoslovlja upoznati su s vrlo osnovnim oblikom kalorimetrije koja se provodi u pjenastoj čaši; šalica djeluje kao izolator i učenici je koriste za mjerenje temperaturnih pomaka vode tijekom vremena. Rezultati ove vrste pokusa mogu studentima dati osnovno razumijevanje mjerenja energije, ali obično nisu dovoljno precizni za ozbiljnije napore.
Ozbiljniji izračuni obično zahtijevaju intenzivnije alate. Uređaj poznat kao bombaški kalorimetar vrlo je čest primjer. Ovaj dio opreme obično je izrađen od čeličnog kućišta – “bombe” – koja se neće promijeniti u volumenu. Reaktanti se stavljaju unutar bombe, a bomba se stavlja unutar drugog spremnika napunjenog vodom. Zatim se bilježi temperatura vode i dopušta se reakcija, često u obliku eksplozije.
Izvođenje eksperimenta
Prije nego što dođe do reakcije, tvari u bombi se obično stavljaju pod ekstremni pritisak dodatkom kisika. Znanstvenici također moraju uzeti u obzir toplinski kapacitet uređaja prije nego što mogu odrediti koliko se topline apsorbira ili oslobađa. Toplinski kapacitet je mjera koliko je topline potrebno da se uređaj podigne za jedan stupanj Celzijusa. Nakon reakcije mjeri se temperatura vode. Nakon što su sve te vrijednosti poznate, onda je znanstvenik u stanju izračunati količinu topline koja je apsorbirana ili izgubljena.
Uloga u nutricionističkim proračunima
Kalorijski izračuni koriste se u mnogim aplikacijama, ali ponajviše s hranom. Svi prehrambeni proizvodi sadrže određeni kalorijski sadržaj, što je u osnovi opis koliko energije daju – što zauzvrat daje izjavu o tome koliko će posla osoba morati proizvesti da bi “sagorjela” ili “odradila” taj unos. Većina proizvođača pakirane hrane u svijetu izračunava kalorijski sadržaj robe koju proizvode i ispisuje ovo mjerenje na ambalaži.
Općenito govoreći, kalorija je mjera topline i predstavlja koliko je topline potrebno da se temperatura jednog grama čiste vode poveća za jedan stupanj Celzijusa. Veliko-C kalorija koja se obično nalazi na pakiranju hrane zapravo je kilokalorija: to jest, 1,000 kalorija. Neke zemlje ne koriste kalorije kao mjerenje energije hrane, već opisuju energiju hrane u džulima. U svakoj kaloriji ima otprilike 4.2 džula.
Kada se kalorimetrija koristi za određivanje kalorijskog sadržaja hrane, dehidrirani prehrambeni artikli se stavljaju u kalorimetar bombe. Namirnica se zatim spaljuje kako bi se saznala količina energije koju hrana ima. Dakle, kada osoba pojede namirnicu koja ima 100 kilokalorija (oko 4,200 džula), tijelu će trebati 100 kilokalorija (oko 4,200 džula) da ga sagori.