卡路里换算(热量换算器)

热量计定义了食物的营养价值和蒸汽发生器的输出

新的一年的到来，开始了我新的尝试，尝试吃什么能让腰变瘦。我的想法很自然地转向了如何计算卡路里，同时也迷恋上了威尔伯·阿特沃特。正是阿特沃特公司向美国人介绍了每单位食物能量的卡路里。

照片:国家标准与技术研究所的数字收藏。1937年的蒸汽量热计是美国国家标准局发明的，用来测量蒸汽动力设备的输出。该仪器的正面已被切掉，以显示其内部结构。

从1973年到1907年，阿特沃特是康涅狄格州卫斯理大学的化学教授。在慕尼黑学习后，他对营养和新陈代谢越来越感兴趣。在慕尼黑，他学习了德国分析食物营养成分的技术。通过调查食物中化学能与体质的相关性，他保证了工人的合理饮食。

1887年，阿特沃特发表了一篇名为《食物的势能》的文章，他在文中将热定义为使一千克水的温度升高一摄氏度(或一磅水升高四华氏度)的热量。他试图证明一个单位的热量可能是一个单位的机械能，为此他将一卡路里定义为1.53英尺-吨，也就是说，需要一英尺的力才能举起一吨物体。

在这篇论文中，阿特沃特列出了各种食物的卡路里计数，如瘦牛肉当量(807)，黄油(3691)，普通牛奶(308)和脱脂牛奶(176)，燕麦片(1830)和萝卜(139)。数据是基于对每种食物中的营养、蛋白质、脂肪和碳水化合物含量的估算，通过一些实验得出的。虽然现代食物的热量计算方法和阿特沃特略有不同，但他的估算数据还是有的。一克蛋白质含4.1卡路里，一克脂肪含9.3卡路里。

阿特沃特使用了一种叫做炸弹量热计的仪器来做这个实验。这种仪器在当时被广泛使用。它被用来测量反应过程中释放的热量:将样品放入一个名为bomb的钢制反应容器中，然后浸入水中，样品由电流启动。水产生热量，并在一定的时间间隔记录水温。

图:美国农业部国家农业图书馆特别收藏:威尔伯·阿特沃特的呼吸热量计是一个巨大的铜质内衬盒子[左]，一个人在里面最多可以生活12天，完成各种任务，如运动、休息、午餐[右]。

阿特沃特卫斯理大学的物理学家爱德华·罗莎和化学家弗朗西斯·本尼迪克特发明了一种呼吸热量计。科学家用它来测量人体的氧气摄入量、二氧化碳排放量以及由此产生的热量，从而估算出人体消耗的热量。量热计是一个高6英尺、宽4英尺、深7英尺(1.8* 1.4*2.1米)的铜盒，用木头和锌包裹，保证恒温。受试者将在这个盒子里呆12天，完成各种指定的任务，从躺下休息到运动。这些研究实验成为理解代谢率的基础。

我们是这样计算卡路里的吗？不是的。

在花费几十年时间定义卡路里的过程中——出现了焦耳

阿特沃特没有定义“卡路里”这个词，但它是由巴黎梅蒂斯学院的化学教授尼古拉斯·克莱门特发明的。1819年，克莱门特教授一门工业化学课程。他需要一个热单位来讨论蒸汽机如何将水蒸气转化为热量。他将卡路里定义为将1千克水的温度升高1摄氏度所需的热量——这与阿特沃特的定义不谋而合。克莱门特更精确地说明了测量是从0℃到1℃，科学家们接受了克莱门特的定义，从此，卡路里进入了法国物理教科书。

在这些教科书中，有两本被法国物理学家阿道夫·加诺翻译成多种语言。欧洲和美国的大学在20世纪初使用这些教科书。从此，克莱门特的卡路里变成了英语。

与此同时，卡路里的另一个定义正在形成。1852年，法国化学家皮埃尔·法夫尔和法国物理学家约翰·西尔伯曼将卡路里定义为:将一克水的温度升高一摄氏度所需的能量——相差1000倍！德国科学家采用了他们的定义。

19世纪70年代，热量定义的竞争日趋激烈。法国化学家马塞林·贝特洛做了区分:他将卡路里(小写字母C)定义为卡路里卡，将卡路里(大写字母)定义为千克卡路里卡。1894年，美国医生约瑟夫·雷蒙德(Joseph Raymond)在其经典教科书《人体生理学手册》中提出将卡路里称为“千卡”。直到几年后，这个词才流行起来。

与此同时，英国科学促进会正在研究一种完全不同的能量单位:焦耳。1882年，威廉·西门子在就职演说中提出焦耳为BAAS主席。对西门子卡路里感到困惑:“完全随机的机组显然会带来不便，引入基于电磁系统的机组更是如此。”他将焦耳定义为一安培的电流通过一欧姆的电阻一秒钟所散发的热量。

图片:美国农业部国家农业图书馆特别收藏，威尔伯·阿特沃特(Wilbur atwater)使用一个较小的热量计来估算香蕉等不同食物的卡路里数。

因此，当阿特沃特研究食物的营养时，他选择了热能单位。他在加诺翻译的一本教科书上读到了克莱门特的《卡路里》。在德国博士后培训期间，他会遇到法布尔和西尔伯曼的卡路里。作为科学界的一员，他可能听说过焦耳，而西门子的定义直到1889年在第二届国际电气大会上才被采用。

佐治亚大学的詹姆斯·L·哈格罗夫(James L.Hargrove)调查了卡路里的历史，并对阿特沃特为什么选择卡路里提出了一些建议:首先，它是美国字典中唯一列出的能量单位。更重要的是，哈格罗夫认为卡路里是一个可管理的范围。在这个范围内，阿特沃特建议一个人每天的摄入量应该是2000卡路里。如果他一天摄入200万卡路里，似乎很麻烦。

在阿特沃特的带领下，美国营养学家在阿特沃特为美国农业部准备的表格中列出了500多种食物的卡路里含量。阿特沃特的女儿海伦帮助他的实验室工作了十年。1907年她父亲去世后，她去了美国农业部工作。

大卡和大卡在1948年正式被淘汰，当时国际科学界采用焦耳作为标准能量单位。正如西门子所指出的，仅仅通过大小写和数量级来区分两个不同的定义太混乱了。今天，美国的营养标签继续报告热量，而其他国家给出的单位是卡和焦耳。

营养学家不仅对卡路里感兴趣。上世纪初，电力需求激增，许多国家的市政当局都在建设新的发电厂。随着汽轮机的发明，发电机变得更加复杂，锅炉在更高的温度和压力下运行。工程师迫切需要得到蒸汽设备的数据，但缺乏水和蒸汽特性的国际标准化测量。所以他们转向克莱门特的热量计:用它来测量蒸汽。

自1921年以来，内森·奥斯本、哈罗德·史汀生和笛福·吉宁斯已经对这个确切的问题研究了近20年。研究小组开发了一种优雅的量热计，以研究水在100℃时的热容和汽化热。

该仪器已被切割以显示其内部结构，其工作原理类似于阿特沃特使用的炸弹式热量计。球形内壳装满水样，电流增加能量，科学家观察状态变化。在20世纪60年代，他们的实验数据指导了蒸汽动力设备的设计和评估。

正如奥斯本在1925年的报告《流体热的测量》中所指出的，电加热器、电阻温度计和热电偶的采用和改进，使量热计成为热学研究中可靠而精确的测量手段。

因此，无论是计算食物中的能量还是水的热容量，量热仪在两个多世纪以来一直是化学家、物理学家和工程师的宝贵工具。进入新的一年，当我们许多人再次对卡路里感兴趣时，向计算卡路里的工具致敬似乎更合适。