卡路里(cal)和焦耳(J),都是表示能量的单位,我们在学校学习阶段,不管是物理化学还是生物,表示能量的单位都用的是焦耳。
但生活中特别是在营养学上我们又往往喜欢用卡路里来表示食物的热量。
至于焦耳这个作为正儿八经的正黄旗(国际单位制)之中的唯一指定的表示能量的基础单位反而在我们离开校园后,就鲜少使用了。
日常生活之中,我们能接触到使用能量的情景无外乎主要就油电气以及吃饭四种,食物能量的单位大家习惯了用卡路里,给车加汽油我们直接用汽油的容积升(L)来做单位,用电在大功率耗电上我们用度(千瓦·时)(1度=3600千焦)来作为其单位,至于小电池的能量我们也用毫安时(mA·h)来表示,气的单位则也用的是立方米((m³)。
因为各种不同的单位在生活中完美的取代了焦耳的作用,导致了虽然现代社会离不开各种形式的能量,对能量使用以及计量也不可或缺,但是作为国际单位制中,唯一的表示能量的基础单位,却因为卡路里这个非国际单位制单位和其它非基础的能量表示方式让我们在离开校园后基本上就和焦耳这个单位告别了。
卡路里这个单位提出时间大概是1820年左右,而焦耳则是在1840年左右出现。
卡路里这个单位一开始并不是作为一个能量单位而提出的,而是作为一个热量单位被设计出来的。1卡路里的定义是:将1克水提升1摄氏度所需要的热量。
也因此,在营养学里面,我们衡量食物的蕴含的能量时,一般会说其热量为多少卡,运动时也会说做了这些运动消耗了多少的热量。
当然你可能会说,热量也就是内能本身不就是能量的一种形式吗?为什么在能量单位外还有一个热量单位?
那是因为,发明热量单位时,人们并没有将热量和能量,当时卡路里只指代热量,而当时的能量则指的是在力学上的功,也就是F·S即力乘以距离,单位是牛·米(Nm)。
热和功在当时是被视为独立的两个物理量。
直到焦耳测定了热和功的转换关系也就是热功当量,确定了1卡路里的热可以做4.184牛米的功,让人们知道了热和力的转换是遵循固定的规律的。
后来的科学家为了纪念其这一发现,便将1牛·米定为了1焦耳,并在1948年被确定为宏观物理中唯一表示能量的单位(微观中一般用eV电子伏特表示粒子的能量和质量,1 电子伏特约等于 1.602×10⁻¹⁹焦耳,1 电子伏特约等于1.783×10⁻³⁶g)
原本,焦耳测定热功当量之初,只是想将其作为一个转化卡路里和功的常数来使用,加入热功当量以后,力学上也同样可以使用卡路里来计算能量了。
但是科学家在获得热功当量后不久,却发现焦耳本身比卡路里更好用,原因也很简单,卡路里本身是基于使水升温而测出来的,但水虽然地球上很多,但归根结底它也只是物理学家所面对的无数种物质的一种,并没有普遍性。
以水的性状变化来衡量能量,虽然在日常中很好用也很直观,毕竟谁还不是个先天烧热水圣体呢,但在物理学上,把一切能量的基础单位都锚定在烧热水上显然就不合适了。
而锚定在力和距离这个两个更为宽泛上的物理量的焦耳显然比锚定在烧热水上的卡路里,在物理学上更值得被使用,也因此物理学上最后保留了焦耳而优化掉了卡路里,焦耳成为了国际标准中唯一的能量单位。这也就是为什么就算是在生物学上我们学到食物中蕴含的热量时也一样用的焦耳而非卡路里。
但相应的,虽然在物理学研究中卡路里不如焦耳好用,可是日常生活中更好用的却反而是卡路里,毕竟人在生活中可以一辈子不关注那些物理研究,但是却1天都无法离开水。
物理学上,本来就有很多单位是基于水定义的,比如最初的1千克的定义就是1立方分米也就是1升水的重量,温度也是以水的沸点为100度,水的冰点为0度来定义的。
可以说要不是卡路里和焦耳这热和功的转换系数使得计算变得太过辅助,让科学家不能忍了,也许至今我们也还在使用卡路里作为能量单位吧。
因此大部分科学家觉得把焦耳转化成卡路里很麻烦多此一举,同理另一块不需要应用到力做功,只研究热量的地方,研究者同样会觉得用焦耳很麻烦。
比如在工程领域标识燃料的热值时,人们往往还是会用大卡(千卡)来标识燃料的热值。
比如煤的热值一般就会用大卡来表示,因为煤的主要作用就是烧锅炉中的热水,既然涉及到了烧水,那么用卡路里这个单位显然就会比焦耳这个单位直观得多。
至于营养学上,计量食物的热量用卡路里也很好理解。
测定食物所蕴含的能量最简单的办法就是使用燃烧法,确定其完全燃烧后能将水温上升多少度,就可以确定其释放了多少卡路里的热量,这也是我们说食物蕴含的能量时都用的热量而非能量的原因。
这也是曾经的热量和能量并未统一遗留下来的习惯说法了。
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