غزال زیاری: این روزها بر روی بسته‌بندی اکثر موادغذایی جدولی که نشانگر "نکات تغذیه‌ای" آن است به چشم می‌خورد. در آمریکا از سال ۱۹۹۴، درج چنین برچسبی برروی تمامی مواد غذایی بسته‌بندی شده اجباری شده است و در این جدول اطلاعاتی درباره اندازه وعده، مقدار قند، پروتئین، چربی و سدیم آن ذکر می‌شود.
اما مهم‌ترین نکته، معیار سنجش انرژی است که تحت عنوان کالری مطرح می‌شود. ولی وقتی در مورد یک شکلات صحبت می‌کنیم، انرژی چه معنایی خواهد داشت؟
طعم‌های مختلف انرژی
در علم فیزیک، مفهوم انرژی به ما کمک می‌کند تا انواع مختلف تعاملات را پیگیری کنیم. ما معتقدیم که انرژی در تمامی فعل و انفعالات حفظ می‌شود؛ این بدان معناست که اگر قبل یا بعد از وقوع یک رویداد، کل انرژی را محاسبه کنید، مقدار آن در هر دو زمان، ثابت خواهد بود و تنها با تغییر شکل انرژی مواجه هستیم.
در جریان این فعل و انفعالات، انرژی ممکن است از شکلی به شکل دیگر تغییر حالت بدهد. من دوست دارم تا این را با عنوان "طعم‌های انرژی" بنامم. انرژی یک جسم متحرک، طعمی دارد که آن را انرژی جنبشی می‌نامیم. انرژی ذخیره شده در یک میدان گرانشی، طعمی است که ما آنرا انرژی پتانسیل گرانشی نامگذاری می‌کنیم. انرژی ذخیره شده در تعامل بین دو ذره باردار، انرژی پتانسیل الکتریکی است و البته وقتی هر چیزی گرم می شود، انرژی حرارتی آن افزایش می‌یابد.
تمام انواع انرژی قابل تغییر هستند. چطور می‌توان طعم انرژی را به طعمی دیگر تغییر داد؟ واقعیت این است که ما هر روزه وقتی یک فنجان قهوه دم می‌کنیم، همین کار را انجام می‌دهیم. زمانی که جریان (انرژی الکتریکی) از سیم عبور می‌کند، سیم داغ می‌شود و می‌توان از این گرما برای بالا بردن دمای آب بهره برد که این انرژی حرارتی است.
ما می‌توانیم انرژی الکتریکی را با اندازه‌گیری جریان الکتریکی و ولتاژ در سراسر سیم محاسبه کنیم و این برابر با تغییر انرژی حرارتی آب خواهد بود.
در عین حال ارتباطی هم بین انرژی مکانیکی و انرژی گرمایی وجود دارد. تصور کنید که یک مخزن آب دارید و می‌خواهید از پره یا پاروهای چرخان برای هم زدن آن استفاده کنید. سیستم پره‌ای شامل سه بخش است: پره ها یا پاروها در بخش پائینی؛ یک طناب بلند در وسط و یک وزنه سنگین که در طول طناب از بالا به پائین می‌لغزد. همان‌طور که گرانش، وزنه را در امتداد طناب پائین می‌کشد، پره‌ها می‌چرخند و آب را فشار می‌دهند. این عمل باعث حرکت کردن آب می‌شود؛ اما این فعل و انفعال اصطکاکی، آب را گرم هم می‌کند. تغییر در انرژی پتانسیل گرانشی وزنه در هنگام حرکت به سمت پائین طناب، برابر با تغییر انرژی حرارتی آب است. بدین ترتیب انرژی حاصل از حرکت به انرژی گرمایی تبدیل شده است.
ژول، کالری و دیگر واحدها
در فیزیک، واحد ترجیحی برای انرژی، ژول است. از نظر تاریخی، یک ژول را می‌توان به‌عنوان انرژی‌ای تعریف کرد که نیروی یک نیوتونی در یک متر حرکت تولید می‌کند. از سوی دیگر یک ژول برابر با انرژی الکتریکی حاصل از جریان یک آمپر و ولتاژ یک ولت برای یک ثانیه است.
درک این واحد ممکن است سخت باشد؛ بنابراین شاید بهتر است این آزمایش را انجام دهید: یک کتاب بردارید و آن را روی زمین بگذارید. حالا کتاب را بردارید و آن را روی میز بگذارید. از لحظه‌ای که کتاب را از روی زمین برمی‌دارید و بالا می‌برید، انرژی پتانسیل گرانشی آن بیشتر می‌شود و افزایش این انرژی تقریبا معادل ۱۰ ژول است که البته مقدار دقیق این انرژی بستگی به ارتفاع میز و جرم کتاب دارد.
کالری واحد دیگری از انرژی است که از سمت ترمودینامیکی انرژی می‌آید؛ بنابراین با تغییرات دما مرتبط خواهد بود. ارزش یک کالری برابر با انرژی لازم برای افزایش دمای یک گرم آب به اندازه یک درجه سانتیگراد است.
در هر صورت، انرژی، هنوز همان انرژی است. اگر از جریان الکتریکی برای گرم کردن یک گرم آب به اندازه یک درجه سانتیگراد استفاده کنید، به ۴.۱۸۴ ژول انرژی نیاز خواهید داشت. پس یک کالری معادل ۴.۱۸۴ ژول است.
بیشتر بخوانید:
-
۷ شی باستانی که هنوز کاربردشان را کشف نکرده‌ایم
-
تبخیر آب به یک روش غیرمعمول!
حالا روی بسته‌بندی یک شکلات درج شده که حاوی ۲۰۰ کالری است. این مقدار معقولی به نظر می‌رسد؛ ولی یک خبر بد برایتان داریم. یک شکلات در حقیقت ۲۰۰ هزار کالری دارد و نه ۲۰۰ کالری. معیارهای روی بسته‌بندی‌های مواد غذایی بر حسب کیلوکالری ارائه می‌شوند؛ بنابراین در حقیقت رقم درج شده، یک هزارم انرژی موجود در آن ماده‌غذایی است. برای آنکه گیج نشوید، ما گاهی وقت‌ها بین "کالری موادغذایی" با "کالری‌های شیمیایی" تمایز قائل می‌شویم. برخی افراد "کالری (Calorie)" را با C بزرگ می‌نویسند تا به کالری مواد غذایی اشاره کنند.
حالا فرض کنید که بخواهید ۲۰۰ هزار کالری شکلات را با انجام حرکات کششی بسوزانید. با هر بار کشش، عضلات شما برای بلند کردن بدن و افزایش انرژی پتانسیل گرانشی از انرژی بهره می‌گیرند. به فرض توده بدن شما ۷۰ کیلوگرم است و بخواهید بدنتان را برای ۶۰ سانتی‌متر کش دهید؛ برای انجام هر کشش، حدود ۴۱۲ ژول (درست در حدود ۱۰۰ کالری شیمیایی یا یک دهم کالری موادغذایی) می‌سوزانید.
طبیعتا بدن انسان کاملا کارآمد نیست. بنابراین انرژی غذایی بسیار بیشتری برای انجام حرکت کششی و تحمل وزن شما نیاز است. اگر بازدهی را ۱۰% در نظر بگیرید، بدین ترتیب یک فرد در انجام هر حرکت حدود ۱۰۰۰ کالری شیمیایی می‌سوزاند. این بدین معناست که برای سوزاندن ۲۰۰ هزار کالری موجود در شکلات، باید ۲۰۰ حرکت کششی انجام دهید. اما آیا این ارزشش را دارد؟ شاید برای شما داشته باشد.
محاسبه انرژی یک تخته شکلات
فرض کنید که من یک شکلات کاملا جدید برپایه علم فیزیک به نام Newton Nougat Crunch درست کرده‌ام. قبل از عرضه این شکلات به بازار، باید تعیین کنم که چقدر کالری دارد. یکی از روش‌های اندازه‌گیری محتوای انرژی موادغذایی، استفاده از کالری‌سنج بمب است. بله؛ این یک موضوع واقعی است. این تصویری از نسخه قدیمی‌تر این دستگاه است.
در سمت راست، یک ظرف فلزی دیده می‌شود. این قسمت، بمب است ( البته خود دستگاه قرار نیست منفجر شود ولی هر چیزی که درون آن قرار می‌گیرد را می‌سوزاند). من یک تکه کوچک از شکلات جدیدم را داخل آن قرار می‌دهم و اگر بتوانم انرژی موجود در این تکه کوچک را محاسبه کنم، می‌توانم به میزان انرژی کل آن برسم.
در ادامه، بمب با اکسیژن پر و پلمپ می‌شود. منبع احتراق، واکنش احتراقی را با به کارگیری اکسیژن داخل مخزن شروع کرده و پروسه سوزاندن شکلات آغاز می‌شود. طبیعتا این واکنش با حرارت همراه است. حالا اگر بتوانم تغییرات در انرژی حرارتی واکنش را اندازه‌گیری کنم، می‌توانم به محاسبه مقدار انرژی موجود در شکلات بپردازم.
برای محاسبه تغییر انرژی گرمایشی، من بمب را در یک مخزن آب قرار می‌دهم. بعد از انجام واکنش، دمای بمب و آب افزایش می‌یابد که می‌توان افزایش این دما را با یک دماسنج اندازه گرفت. اگر خواص حرارتی آب و محفظه فلزی بمب را بدانید (که ما می‌دانیم)، می‌توان با بررسی تغییر در دما، به محاسبه تغییر انرژی حرارتی پرداخت. این انرژی، همان انرژی‌ای است که در یک تکه کوچک شکلات وجود دارد. حالا باید آن را به واحدهای کالری موادغذایی تبدیل کرد و این گونه است که جدول ارزشی روی بسته‌بندی‌ها محاسبه و طراحی می‌شوند.
در طی این آزمایش، حرارت دادن یک قطعه یک گرمی از شکلات ما، دمای دو کیلوگرم آب را به اندازه یک درجه سانتیگراد بالا برد. این بدان معناست که هر یک گرم از شکلات ما، حاوی ۲ کیلوکالری است. اگر کل شکلات ۵۰ گرم باشد، حاوی ۱۰۰ کالری موادغذایی خواهد بود (این عدد برای یک تخته شکلات واقعی خیلی کم است ولی ما در مورد یک شکلات فرضی در دنیای فیزیک صحبت می‌کنیم.)
البته شیوه دیگری برای محاسبه و اندازه یری کالری وجود دارد. اگر ارزش کالری تمام مواد موجود در شکلات (مثل میزان شکر و شیر و دیگر مواد اولیه) را بدانید، می‌توانید براساس مقدار هر ماده مورد استفاده، کالری کلی آن را محاسبه کنید. اما منطقا استفاده از کالری‌متر بمب، هیجان انگیزتر خواهد بود.
منبع: wired
۵۸۵۸
