Na svoji najosnovnejši ravni je kalorimetrija znanost o absorpciji in izgubi toplote. Meri energijske spremembe v določeni snovi in daje opazovalcem in raziskovalcem predstavo o tem, koliko energije je potrebno za razgradnjo te snovi ali povzročitev njene spremembe. Kemični proces lahko absorbira ali sprošča energijo in velikokrat je ta energija v obliki toplote. Prehranska analiza je ena najpogostejših uporab teh informacij. Hrana se med prebavo razgradi v energijo in to ima merljive stroške energije, vendar se lahko razgradijo tudi kovine in druge snovi, običajno, ko so izpostavljene toploti okolja. Poznavanje teh okoliščin je pomembno za ljudi v inženirstvu in drugih sorodnih poklicih. Izračuni se običajno izvajajo s pomočjo naprave, znane kot kalorimeter, in glede na naravo in potrebno specifičnost testiranja so lahko zelo preprosti ali precej zapleteni. Ključna je običajno sposobnost doslednega merjenja temperaturnih sprememb skozi čas.
Osnovni koncept
Kalorimetrija kot znanost je nekoliko zapletena in razumevanje njenega globljega delovanja običajno zahteva tako trdno razumevanje osnovne fizike kot termodinamike. Z bolj osnovnega vidika pa je izračune mogoče razumeti kot načine za določanje lastne energije snovi na podlagi toplote, ki jo oddaja ali absorbira. Meritve temperature so običajno v središču pozornosti. Opazovanje temperaturnih premikov v snovi skozi čas lahko da merljiv vpogled v to, koliko energije jemlje ali daje.
Zakaj je pomembno
Večina spojin, vse od trdih kovin do živil, vsebuje surovo energijo, vendar običajno ne naredi ničesar, razen če se snov podvrže kakšni spremembi. Ko so stvari na primer segrete ali izpostavljene drugim okoljskim dejavnikom, se latentna energija pogosto pretvori v nekaj, kar je merljivo. Razumevanje, kako se snovi razgradijo, in pogojev, pod katerimi se to zgodi, je zelo pomembno za številne različne aplikacije.
Kako deluje
Znanstveniki običajno uporabljajo orodja, znana kot kalorimetri za merjenje količine toplote, ki jo reakcija absorbira ali sprosti. Obstaja nekaj različnih vrst. Številni dijaki naravoslovja poznajo zelo osnovno obliko kalorimetrije, ki se izvaja v penasti skodelici; skodelica deluje kot izolator in učenci jo uporabljajo za merjenje temperaturnih premikov vode skozi čas. Rezultati tovrstnega eksperimenta lahko študentom omogočijo osnovno razumevanje meritev energije, vendar običajno niso dovolj natančni za resnejša prizadevanja.
Resnejši izračuni običajno zahtevajo intenzivnejša orodja. Zelo pogost primer je naprava, znana kot bombni kalorimeter. Ta kos opreme je običajno izdelan iz jeklenega ohišja – “bombe” -, ki se ne spreminja v prostornini. Reaktanti so nameščeni v bombo, bomba pa v drugo posodo, napolnjeno z vodo. Nato se zabeleži temperatura vode in reakcija, pogosto v obliki eksplozije, se pusti.
Izvajanje eksperimenta
Preden reakcija poteka, so snovi v bombi običajno pod ekstremnim pritiskom z dodatkom kisika. Znanstveniki morajo upoštevati tudi toplotno zmogljivost naprave, preden lahko ugotovijo, koliko toplote se absorbira ali sprosti. Toplotna zmogljivost je merilo, koliko toplote je potrebno, da se naprava dvigne za eno stopinjo Celzija. Po reakciji se izmeri temperatura vode. Ko so vse te vrednosti znane, lahko znanstvenik izračuna količino toplote, ki je bila absorbirana ali izgubljena.
Vloga pri prehranskih izračunih
Izračuni kalorij se uporabljajo v številnih aplikacijah, predvsem pa pri hrani. Vsa živila vsebujejo določeno kalorično vsebnost, ki je v bistvu opis tega, koliko energije zagotavljajo – kar posledično daje izjavo o tem, koliko dela bo morala oseba opraviti, da bi ta vnos »pokurila« ali »oddelala«. Večina proizvajalcev pakirane hrane po vsem svetu izračuna kalorično vsebnost izdelkov, ki jih proizvajajo, in to meritev natisnejo na embalažo.
Na splošno je kalorija merilo toplote in predstavlja, koliko toplote je potrebno za povečanje temperature enega grama čiste vode za eno stopinjo Celzija. Veliko-C kalorija, ki je običajno navedena na embalaži hrane, je pravzaprav kilokalorija: to je 1,000 kalorij. Nekatere države ne uporabljajo kalorij za merjenje energije hrane, temveč opisujejo energijo hrane v džulih. Vsaka kalorija vsebuje približno 4.2 joula.
Ko se za določanje vsebnosti kalorij v hrani uporablja kalorimetrija, se dehidrirana živila dajo v kalorimeter bombe. Živilski predmet se nato sežge, da bi ugotovili količino energije, ki jo ima hrana. Ko torej človek zaužije izdelek, ki ima 100 kilokalorij (približno 4,200 joulov), bo telo potrebovalo 100 kilokalorij (približno 4,200 joulov), da ga pokuri.