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威布林·阿特华特(Wilbur Atwater)的呼吸量热仪是一个大的铜制盒子[左],人类受试者可以在其中栖身长达12天,并完成种种义务,例如运动,休息和吃午餐[右]。新年新气象,吃什么才能使小蛮腰加倍苗条?要到达这一目的,自然而然机遇想到盘算食物的卡路里,控制自己的饮食。

这一切都要归功于一个叫威布林‧阿特华特(Wilbur O. Atwater)的美国人,正是他引入了食物能量单元——卡路里。

1873年至1907年,阿特华特是康乃狄克州卫斯理大学的化学教授。

在去慕尼黑学习之后,他对营养和代谢的兴趣日渐深入,在慕尼黑,他学到了德国人剖析食物营养含量的手艺,透过调研食物中的化学能与体能之间的相关性,来确保工人的合理饮食。

1887年,阿特华特揭晓了题为「食物的潜在能量」的文章,文中他将热量界说为将一公斤水的温度升高1摄氏度(或一磅水4华氏度的热量)。

他试图证实一个单元的热量可能是一个单元的机械能,为此他界说一个卡路里为1.53英呎吨——也就是说,需要举起一吨物体一英呎的力。

文中,阿特华特列出了种种食物的卡路里计数,如瘦牛肉相当(807)、奶油(3,691)、通俗牛奶(308)和脱脂牛奶(176)、燕麦片(1,830)和萝卜(139)。

数据基于对每种食物中营养、蛋白质、脂肪和碳水化合物的数目的估量,透过一些实验获得。

虽然现代食物的卡路里盘算方式与阿特华特的盘算方式略有差别,但他的估量数据依然可用,1克蛋白质含有4.1卡路里,1克脂肪含有9.3卡路里。

阿特华特行使了一种称为炸弹量热仪的仪器来做实验,这种仪器在那时已经普遍使用,它用来丈量在反映过程中放出的热量:将样品放置在一个叫做炸弹的钢反映容器中,然后浸入水中,用电流启动样品,水由此发生热量,按一定的时间距离纪录水的温度。

阿特华特和卫斯理的物理学家爱德华‧罗莎、化学家佛朗西斯‧班尼迪克特开发出一种呼吸量热计。科学家透过它来丈量人体的氧气摄入量、二氧化碳排放量以及由此发生的热量,进而估量出人体消耗的卡路里。

量热计是一个铜盒,高6英呎,宽4英呎,深7英呎(1.8*1.4*2.1米),包裹在木料和锌中,以确保恒温。受试职员将在这个盒子里呆12天,完成种种指定的义务,从躺着休息到磨炼,这些研究实验成为了明白代谢率的基础。

岂非这就是我们盘算卡路里的方式,事实并非如此。

在破费几十年时间界说卡路里的过程中——泛起了焦耳

阿特华特并没有界说出「卡路里」这个词,它是由巴黎梅蒂埃斯学院的化学教授尼古拉斯‧克莱门特发现的。

1819年,克莱门特教授了一门工业化学课程,他需要一个热量单元来讨论蒸汽机如何将水蒸气转化为热量,他将卡路里界说为将1公斤水的温度提高1°C所需的热量——这与阿特华特的界说不约而同,克莱门特更精确地说明丈量是从0°C到1°C。

科学家接受了克莱门特的界说,今后,卡路里进入了法国物理教科书。

在这些教科书中,其中两篇由法国物理学家Adolphe Ganot翻译成多种语言,欧洲和美国的大学在20世纪初使用了这些教科书,今后,克莱门特的卡路里变成了英语。

与此同时,卡路里的另一个界说正在形成,1852年,法国化学家Pierre Favre和法国物理学家Johann Silbermann将卡路里界说为:将一克水的温度提高1摄氏度所需的能量——差了1000倍!

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德国科学家接纳了他们的界说。

到了1870年代,热量界说的竞争关系日趋激烈,法国化学家Marcellin Berthelot做对此出了区分:他把卡路里(用小写字母c)界说为克热卡,把卡路里(大写)界说为千克热卡。

1894年,美国医生约瑟夫‧雷蒙德(Joseph Raymond)在他的经典教科书《人体生理学手册》(A Manual of Human Physiology)中提议称大卡为「千卡」,直到几年后这个词才流行起来。

同时,英国科学促进协会正在研究一个完全差别的能量单元:焦耳。

1882年,威廉‧西门子(William Siemens)在担任BAAS主席的就职演说中提出了焦耳。

西门子对卡路里感应疑心:「一个完全随意的单元显然会带来未便,引入一个基于电磁系统的单元更为准确。」他将焦耳界说为当一安培的电流通过一欧姆的电阻一秒钟时,消失的热量。

美国农业部国家农业图书馆稀奇珍藏,威布林‧阿特华特行使一个较小的热量计来估量香蕉等差别食物的卡路里计数。

因此,当阿特华特对食物举行营养研究时,他选择了热能单元。他在加诺翻译的教科书中读到克莱门特的卡路里。

在德国的博士后培训时代,他会遇到法夫雷和西尔伯曼的卡路里。作为一个科学界的成员,他可能会听说拟议中的焦耳,西门子的界说直到1889年在第二届国际电气大会上才被采取。

乔治亚大学的James L.Hargrove考察了卡路里的历史,并就阿特华特为什么选择卡路里提出了一些建议:首先,它是美国字典中列出的唯一能量单元。更主要的是,哈格罗夫以为:热量是一个可治理的尺度,围绕这个尺度,阿特华特建议一个人的逐日摄入量为2000卡路里,若是天天摄入200万卡路里的话,似乎会很贫苦。

美国营养学家紧随阿特华特之后,在阿特华特为美国农业部准备的表格中,列出了500多种食物的卡路里计数。阿特华特的女儿海伦协助他的实验室事情了十年,1907年父亲去世后,她去了美国农业部家政局事情。

大卡路里和卡路里在1948年被正式镌汰,那时国际科学界接纳焦耳作为尺度能量单元。正如西门子所指出的那样,仅仅用大写和数目级来区分两种差别的界说太令人不解了。今天,美国的营养标签继续报导卡路里,而其他国家给出的单元为卡尔斯和焦耳。

热量计引发了蒸汽发生器的设计

不光是营养学家对卡路里感兴趣,上世纪初,电力需求激增,许多国家的市政当局正在制作新的发电厂。

随着汽轮机的发现,发电机变得加倍庞大,锅炉在更高的温度和压力下运行。工程师们迫切需要获取蒸汽装备的数据,但他们缺乏水和蒸汽特征的国际尺度化器量。

于是他们转向了回到克莱门特的量热仪:行使它完成丈量蒸汽的事情。

从1921年最先,连续了快要20年,Nathan O *** orne、Harold Stimson和Defoe Ginnings在美国国家尺度局(现为国家尺度和手艺研究所)就这个确切的问题睁开事情。研究小组开发了优雅量热仪,研究水在100°C时的热容量和汽化热。

国家尺度手艺研究院珍藏,1937年的蒸汽量热计是美国国家尺度局发现的,用于丈量蒸汽动力装备的输出。 

该仪器已经被切开,以显示内部结构,事情原理类似于阿特华特使用的炸弹热量计。球形内壳装有水样,能量由电流增添,科学家考察状态的转变。进入20世纪60年代,他们的实验数据指导了蒸汽动力装备的设计和评估。

正如O *** orne在1925年的讲述「流体热量丈量」中所指出:电加热器、电阻温度计和热电偶的接纳和改善,使热量计成为了热研究中可靠、准确的丈量手段。

因此,无论是盘算食物中的能量照样水的热容量,热量计对化学家、物理学家和工程师来说都是两个多世纪以来的名贵工具。进入新的一年,当我们中的许多人对卡路里重新发生兴趣时,似乎更应该向盘算卡路里的工具致敬。

这篇文章的摘要版本揭晓在2021年1月的印刷版上,名为「计数卡路里。」

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