Perustasonsa kalorimetria on lämmön imeytymisen ja häviön tiede. Se mittaa tietyn aineen energiamuutoksia ja antaa tarkkailijoille ja tutkijoille jonkinlaisen käsityksen siitä, kuinka paljon energiaa tarvitaan aineen hajottamiseen tai muuttamiseen. Kemiallinen prosessi voi joko absorboida tai vapauttaa energiaa, ja monta kertaa tämä energia on lämmön muodossa. Ravitsemusanalyysi on yksi tämän tiedon yleisimmistä käyttötarkoituksista. Ruoka hajoaa energiaksi ruoansulatuksen aikana, ja siitä aiheutuu mitattavissa oleva energiakustannus, mutta myös metallit ja muut aineet voivat hajota, yleensä altistuessaan ympäristön lämmölle. Näiden olosuhteiden tunteminen on tärkeää insinööreille ja muille vastaaville aloille. Laskelmat tehdään tavallisesti kalorimetrillä tunnetulla laitteella, ja testin luonteesta ja tarvittavasta spesifisyydestä riippuen ne voivat olla joko hyvin yksinkertaisia tai melko monimutkaisia. Avain on yleensä kyky mitata johdonmukaisesti lämpötilan muutoksia ajan mittaan.
Peruskonsepti
Kalorimetria tieteenä on hieman monimutkainen, ja sen syvemmän toiminnan ymmärtäminen vaatii yleensä sekä vankan fysiikan että termodynamiikan ymmärtämisen. Perusteellisemmasta näkökulmasta laskelmia voidaan kuitenkin pitää keinoina määrittää aineen luontainen energia sen lämmön perusteella, jonka se joko luovuttaa tai absorboi. Lämpötilamittaukset ovat yleensä keskipisteessä. Aineen lämpötilan muutosten havaitseminen ajan mittaan voi antaa mitattavan käsityksen siitä, kuinka paljon energiaa se joko ottaa tai antaa.
Miksi se on tärkeää
Useimmat yhdisteet, kaikki kovametalleista elintarvikkeisiin, sisältävät raakaenergiaa, mutta se ei yleensä tee mitään, ellei aineeseen tapahdu jonkinlaisia muutoksia. Kun asioita esimerkiksi lämmitetään tai ne altistuvat muille ympäristötekijöille, piilevä energia muuttuu usein mitattavaksi. Aineiden hajoamisen ja olosuhteiden ymmärtäminen on todella tärkeää monille eri sovelluksille.
Miten se toimii
Tutkijat käyttävät tyypillisesti kalorimetreinä tunnettuja työkaluja mitatakseen reaktion absorboiman tai vapauttaman lämmön määrän. On olemassa pari eri tyyppiä. Monet lukion luonnontieteiden opiskelijat tuntevat hyvin yksinkertaisen vaahtomukissa suoritettavan kalorimetrian; kuppi toimii eristeenä ja opiskelijat käyttävät sitä veden lämpötilan muutosten mittaamiseen ajan mittaan. Tällaisen kokeen tulokset voivat antaa opiskelijoille peruskäsityksen energiamittauksista, mutta eivät yleensä ole riittävän tarkkoja vakavammille pyrkimyksille.
Vakavammat laskelmat vaativat yleensä tehokkaampia työkaluja. Pommikalorimetriksi kutsuttu laite on hyvin yleinen esimerkki. Tämä laite on tyypillisesti valmistettu teräskotelosta – “pommista” – jonka tilavuus ei muutu. Reagoivat aineet sijoitetaan pommin sisälle ja pommi sijoitetaan toiseen vedellä täytettyyn astiaan. Veden lämpötila merkitään sitten ja reaktion, usein räjähdyksen muodossa, annetaan tapahtua.
Kokeilun suorittaminen
Ennen reaktion alkamista pommin aineet asetetaan tavallisesti äärimmäisen paineen alaiseksi lisäämällä happea. Tutkijoiden on myös otettava huomioon laitteen lämpökapasiteetti, ennen kuin he voivat määrittää, kuinka paljon lämpöä imeytyy tai vapautuu. Lämpökapasiteetti on mitta siitä, kuinka paljon lämpöä tarvitaan laitteen nostamiseen yhden celsiusasteen verran. Reaktion jälkeen mitataan veden lämpötila. Kun kaikki nämä arvot ovat tiedossa, tiedemies pystyy laskemaan absorboidun tai menetetyn lämmön määrän.
Rooli ravitsemuslaskelmissa
Kalorilaskelmia käytetään monissa sovelluksissa, mutta erityisesti ruoan kanssa. Kaikki elintarvikkeet sisältävät tiettyä kaloripitoisuutta, joka on pohjimmiltaan kuvaus siitä, kuinka paljon energiaa ne tarjoavat – mikä puolestaan antaa lausunnon siitä, kuinka paljon työtä henkilön on tuotettava tämän polttoaineen polttoa varten. Useimmat pakattujen elintarvikkeiden valmistajat ympäri maailmaa laskevat valmistamiensa tuotteiden kaloripitoisuuden ja tulostavat tämän mittauksen pakkaukseen.
Yleisesti ottaen kalori on lämmön mittaus, ja se osoittaa, kuinka paljon lämpöä tarvitaan yhden gramman puhtaan veden lämpötilan nostamiseksi yhdellä celsiusasteella. Elintarvikepakkauksissa yleisesti esiintyvä pääoma-C-kalori on itse asiassa kilokalori: eli 1,000 kaloria. Jotkut maat eivät käytä kaloreita ruokaenergian mittaamiseen, vaan kuvaavat ruokaenergiaa jouleina. Jokaisessa kalorissa on noin 4.2 joulea.
Kun kalorimetriaa käytetään elintarvikkeiden kaloripitoisuuden määrittämiseen, kuivatut elintarvikkeet asetetaan pommikalorimetriin. Ruoka poltetaan sen jälkeen, jotta saadaan selville ruoan energiamäärä. Näin ollen, kun henkilö syö esineen, jossa on 100 kilokaloria (noin 4,200 joulea), kehon poltto kestää 100 kilokaloria (noin 4,200 joulea).