Основни понятия

Окисляването на храната в тялото освобождава енергия.

топлина

Окислението е екзотермична реакция.

Количеството енергия, отделено от известна маса храна по време на горене (реакция на окисляване), може да бъде измерено в лабораторията.

mfood = масата на храната в грамове

qreleased = топлинна енергия, отделена в джаули от изгарянето на тази маса храна

Топлината, отделяна от изгарянето на храната, се използва за нагряване на известна маса вода.

m вода = маса вода в грамове

qabsorbed = топлинна енергия, погълната в джаули от тази маса вода

Тъй като водата абсорбира енергия, температурата на водата се увеличава.

ΔT = крайна температура на водата - начална температура на водата (° C)

Топлината, погълната от водата, qabosrbed, може да се изчисли, като се използва специфичният топлинен капацитет на водата (Cg):

Cg = специфичен топлинен капацитет на водата = 4.184 J ° C -1 g -1 (при 25 ° C)

Топлината, отделена на грам изгорена храна, може да бъде изчислена, като се приеме, че цялата топлина, отделена по време на изгарянето на храната, се използва за нагряване на водата:

qабсорбира се от вода = qотделя се при изгаряне на храна

топлина, отделяна от храната = qотделяна от изгарянето на храната ÷ mfood

Топлината на изгаряне на храна (енталпия на изгаряне на храна) се дава в единици джаули на грам храна (J g -1) или килоджаули на грам храна (kJ g -1) 1

Топлината на изгаряне на храна (енталпия на изгаряне на храна) се нарича енергийно съдържание на храната и се предоставя на етикета на опакованата храна.

Моля, не блокирайте реклами на този уебсайт.
Няма реклами = няма пари за нас = няма безплатни неща за вас!

Енергийно съдържание на храната 2

Човешкото тяло се нуждае от енергия, за да предприеме процеси като храносмилане, дишане и движение.
Тази енергия се осигурява от храната, която ядем.
Основните хранителни групи, които осигуряват енергия, са въглехидрати, протеини и липиди (мазнини и масла).
Въглехидратите, протеините и липидите (мазнини и масла) в храната се окисляват в нашите тела, за да освободят енергия.
Окисляването на липиди (мазнини и масла) осигурява повече енергия на грам от протеини или въглехидрати, както е показано в таблицата по-долу:

Енергийно съдържание на основните групи храни Хранителна енергия
(kJ g -1) 3
въглехидрати 17
протеин 17
липиди (мазнини и масла) 37

Колкото по-голям е делът на мазнините (или маслото) в храната, толкова по-голямо ще бъде нейното енергийно съдържание.

Етикетите върху пакетираните храни включват раздел за енергийното съдържание на храната.
Енергийното съдържание на храната често се дава "на порция храна" и/или "на 100 грама храна".
Енергийното съдържание на етикета на някои примери за храни, които може да намерите във вашата кухня, е показано в таблицата по-долу:

Съдържание на хранителна енергия
(kJ/100 g)
зърнена закуска 1630
султани 1380
сирене 1250
хляб 1040
печен боб 383

Можете сами да добавите към тази таблица. Просто прочетете етикетите на любимите си храни и намерете стойностите за енергийното съдържание.

Тази таблица ни казва, че енергийното съдържание на 100 g от тази зърнена закуска е 1630 kJ (или 1630 kJ/100 g).
Енергийното съдържание на 1 g от тази зърнена закуска е 1630 kJ ÷ 100 g = 16,30 kJ (или 16,30 kJ g -1 или 16,30 kJ/g)
Ако ям 150 g от тази зърнена закуска на закуска, това ще ми осигури 150 g × 16,30 kJ g -1 = 2445 kJ енергия.

Моят малък пакет султани също посочва енергийно съдържание на порция като 552 kJ и размер на порция е 40 g.
Това означава, че ако ям 40 g султани, те ще ми осигурят 552 kJ енергия.
Ако ям 1 g султани, те ще осигурят 552 kJ ÷ 40 g = 13,8 kJ (13,8 kJ g -1) енергия.
Ако ям 100 g султани, те ще ми осигурят 100 × 13,8 = 1380 kJ (13,8 kJ/100 g) енергия.

Тъй като храната е смес от различни вещества, нейното енергийно съдържание се измерва в единици килоджаули на грам храна (kJ g -1).
Не е възможно да се използват единици килоджаули на мол храна (kJ mol -1), защото храната, която ядем, е почти изключително смес от различни вещества.

Можем да измерим количеството топлинна енергия, отделяно, когато храните се окисляват по време на реакция на горене в училищната лаборатория.

Знаеш ли това?

Играйте играта сега!

Експеримент: Измерване на топлината на изгаряне на храната

Този експеримент може да се използва за измерване на енергийното съдържание на твърдите храни, които лесно могат да бъдат нарязани на малки парченца от около 0,5 до 1 cm 3 .
Храната ще трябва да се изсуши преди употреба, например, да се постави в запечатан ексикатор с подходящ сушител за няколко дни.
Премахването на влагата от храната ще улесни изгарянето.
Предложенията за храни, които да се използват, са

закуска (чипс/чипс, блат, пуканки и др.)

Процедура: 4
Стъпка 1: Прехвърлете 20,0 ml вода в епруветка с помощта на пипета. 5
Затегнете епруветката към стойка за реторта.

Стъпка 2: Използвайте термометър за измерване на температурата на водата и запишете това като начална температура (Ti).

Стъпка 3: Използвайте електронна везна, за да измерите масата на малка проба храна и да запишете тази маса (m).

Стъпка 4: Набодете парчето храна върху монтирана игла с изолирана дръжка.

Стъпка 5: Запалете бунзен горелка на добро разстояние от стойката за реторта, за да предотвратите нагряване на водата в епруветката и задръжте храната в пламъка, докато хване светлина.

Стъпка 6: Веднага щом храната изгори, бързо я поставете под епруветката с вода, както е показано на диаграмата вдясно.

Стъпка 7: Когато храната е изгоряла напълно и пламъкът й се е угасил, бързо разбъркайте водата, за да сте сигурни, че ще има постоянна температура в цялото водно тяло, след това измерете температурата на водата в епруветката и записва най-високата достигната температура като крайна температура (Tf).

Горната процедура беше използвана за определяне на енергийното съдържание на изсушена бисквита.
Резултатите от този експеримент са показани в таблицата по-долу:

маса бисквити 2,21 g
обем вода 20,00 мл
начална температура на водата 19,76 ° С
крайна температура на водата 23,39 ° С

Изчисляването на енергийното съдържание на храната от резултатите от експеримента е 3-стъпков процес:

Изчислете количеството топлинна енергия, погълната от водата.

Изчислете количеството топлинна енергия, отделено от изгарянето на храната.

Изчислете количеството топлинна енергия, отделено на грам изгорена храна.

Тези изчисления са показани по-долу, като се използват резултатите от нашия експеримент, дадени по-горе.

Определете количеството топлинна енергия, погълната от водата, абсорбирана:

m вода = 20,00 g (приемете, че плътността на водата е 1,00 g mL -1, след това 20,00 mL = 20,00 g)
Cg = специфичен топлинен капацитет на водата = 4.184 J ° C -1 g -1 (от фиша)
ΔT = крайна температура - начална температура = 23,39 - 19,76 = 3,63 ° C

qabsorbed = 20,00 × 4,184 × 3,63 = 303,8 J

Определете количеството топлинна енергия, отделяно от изгарянето на бисквитената проба, освободено:

Да предположим, че не се губи топлина, тоест енергията, отделена от изгарянето на бисквитата, отива към нагряване на водата, след това:

qотпуснат = qabsorbed = 303,8 J

Изчислете топлината на горене на бисквитата (енталпия на горене на бисквита или енергийното съдържание на бисквитата):

топлина на горене = qотпуснат (J) ÷ маса на бисквита (g)

топлина на горене = 303,8 J ÷ 2,21 g = 137,5 J g -1

Резултатите от този експеримент винаги ще бъдат по-малко от очакваното, тъй като част от топлината ще бъде загубена за околната среда.
Обърнете внимание, че бихте могли да подобрите този експериментален дизайн, като се опитате да изолирате експеримента, за да предотвратите загуба на топлина за околната среда.
Като алтернатива можете да използвате калориметър с бомба, устройство, проектирано да минимизира грешките поради топлинни загуби.

Разбираш ли това?

Направете теста сега!

Решаване на проблеми: Работен пример за енталпия на изгаряне на храна

Въпрос:
Етикетът на пакетче хляб дава енергийното съдържание на хляба 1040 kJ на 100 g.
Крис Химикът е помолен да предприеме експеримент, за да провери тази стойност за енергийното съдържание на хляба.
25,00 g вода се поставят в епруветка и се закрепват на място върху стойка за реторта.
Крис внимателно претегля 0,50 g проба от изсушения хляб.
Крис запалва пробата хляб и я поставя под водата.
Изчислете очакваното повишаване на температурата на водата в ° C, ако стойността за енергийното съдържание на този хляб е точна и няма топлинни загуби по време на експеримента.
Да приемем, че специфичният топлинен капацитет на водата е 4.184 J ° C -1 g -1

(Въз основа на подхода StoPGoPS за решаване на проблеми.)

Какъв е въпросът, който те моли да направиш?

Изчислете повишаването на температурата на водата в ° C
ΔT =? ° С

Какви данни (информация) сте получили във въпроса?

Извлечете данните от въпроса:

qотпуснат = енергийно съдържание на хляба = 1040 kJ/100 g

mbread = маса хляб = 0,50 g

Cg = специфичен топлинен капацитет на водата = 4.184 J ° C -1 g -1

Каква е връзката между това, което знаете и това, което трябва да разберете?

(i) Отбележете несъответствието на мерните единици. Топлинният капацитет на водата е даден в J ° C -1 g -1, но енергийното съдържание на хляба е дадено в kJ/100 g.

Преобразувайте енергийното съдържание от kJ/100 g в J g -1

(ii) Използвайте енергийното съдържание на хляба в J g -1, за да изчислите колко енергия в джаули (J) ще се отдели при изгарянето на 0,50 g хляб.

qreleased = mbread (g) × енергийно съдържание (J g -1)

(iii) Да приемем, че цялата топлинна енергия, отделена от изгарянето на хляба, отива за нагряване на водата в епруветката (т.е. няма загуба на топлина за околната среда).

Изчислете количеството енергия, погълната от водата

(iv) Изчислете очакваното повишаване на температурата на водата:

Извършете изчисленията

(i) Отбележете несъответствието на мерните единици. Топлинният капацитет на водата е даден в J ° C -1 g -1, но енергийното съдържание на хляба е дадено в kJ/100 g.

Преобразувайте енергийното съдържание от kJ/100 g в J g -1

енергийно съдържание на 100 g хляб = 1040 kJ

разделете енергийното съдържание на 100, за да намерите енергийното съдържание в kJ g -1

енергийно съдържание = 1040 kJ ÷ 100 g = 10,40 kJ g -1

умножете това енергийно съдържание по 1000, за да намерите енергийното съдържание в J g -1

енергийно съдържание = 10,40 kJ g -1 × 1000 J kJ -1 = 10 400 J g -1

(ii) Използвайте енергийното съдържание в хляба в J g -1, за да изчислите колко енергия в джаули (J) ще се отдели при изгарянето на 0,50 g хляб.

Изчислете енергията, отделена от изгарянето на 0,50 g хляб:

qreleased = mbread (g) × енергийно съдържание (J g -1)

qиздадено = 0,50 g × 10 400 J g -1 = 5 200 J

(iii) Да приемем, че цялата топлинна енергия, отделена от изгарянето на хляба, отива за нагряване на водата в епруветката (т.е. няма загуба на топлина за околната среда).
Изчислете количеството енергия, погълната от водата

qabsorbed = qreleased = 5 200 J

(iv) Изчислете очакваното повишаване на температурата на водата:

5 200 J = 25,00 g × 4,184 J ° C -1 g -1 × ΔT ° C

5 200 = 104,6 × ΔT

ΔT = 5 200 ÷ 104,6 = 49,7 ° C

Вероятен ли е отговорът ви?

Работете назад, като използвате изчислената стойност за повишаване на температурата на водата, за да изчислите енергийното съдържание на хляба.
Изчислете топлината, абсорбирана от водата:
qabsorbed = mwater × Cg × ΔT = 25 × 4.184 × 49.7 = 5 200 J = 5 200 J ÷ 1000 J/kJ = 5.20 kJ

Топлина, погълната от водата = отделена топлина при изгаряне на 0,50 g хляб = 5,20 kJ

отделена топлина на грам хляб = 5,20 kJ ÷ 0,5 g = 10,4 kJ
топлина, отделена от 100 g хляб = 10,4 kJ × 100 = 1040 kJ

енергийното съдържание на хляба е 1040 kJ на 100 g

Тъй като тази стойност за енергийното съдържание е същата като дадената във въпроса (1040 kJ/100 g), ние сме разумно уверени, че отговорът ни за повишаването на температурата е правдоподобен.

Посочете своето решение на проблема "очаквано повишаване на температурата на водата в ° C":

Можете ли да приложите това?

Направете тренировка сега!

1. Джаулът е кръстен на английския физик Джеймс Прескот Джоул.
Деветата международна конференция за тежести и мерки (1948) препоръчва използването на джаула (волт кулон) като единица за топлина.
Джоулът е производна SI единица за измерване на енергията.
Основната единица SI за измерване на енергията е kg.m 2 s -2
1 J = 1 kg.m 2 s -2

Има много единици за енергия в обща употреба. Тук ще намерите урок за конвертиране между джаули (килоджаули и т.н.) и калории.
1 калория (кал) = 4.1840 J
1 килокалория (kcal) = 4184 kJ

2. Топлината или топлинната енергия е енергията, пряко прехвърляна от един обект на друг.
Топлината е транзитна енергия, вещество като храна или вода при постоянна температура няма "топлинно съдържание", но има "енергийно съдържание".
Енергийното съдържание на дадено вещество се състои от кинетичната енергия (движение) на неговите частици и потенциалната енергия като съхранената химическа потенциална енергия в химичните му връзки.
Температурата е мярка за средната кинетична енергия на частиците.

3. Таблицата по-долу дава енергийното съдържание на основните групи храни в килокалории на грам:

съдържание на хранителна енергия
(kcal g -1)
въглехидрати 4
протеин 4
липиди (мазнини или масло) 9

4. Вашият експеримент може да изглежда малко по-различно от това, например:
(а) Може да набиете храната си върху игла, монтирана на корк, разположен под водата.
(б) Можете да затворите целия си експеримент в облицована с фолио кутия, за да се опитате да предотвратите загубата на топлина
Въпреки че тези мерки могат да повлияят на резултатите от вашия експеримент (т.е. те могат да повлияят на повишаването на температурата на водата), те няма да повлияят КАК изчислявате енергийното съдържание на храната.

5. Като алтернатива можете да претеглите водата и да получите директно нейната маса.