Die Kalorie, eine Energieeinheit, entstand aus der kalorischen Theorie der Wärme. Die kleine Kalorie, auch bekannt als Grammkalorie, ist genau definiert als die Wärmeenergie, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Milliliters Wasser um ein Grad Celsius (oder ein Kelvin) zu erhöhen. In den Vereinigten Staaten wird der Begriff „große Kalorie“ zusätzlich zur Bezeichnung einer Kilokalorie verwendet (1 kcal = 1000 cal).
In den Bereichen Ernährung und Lebensmittelwissenschaft kann der Begriff Kalorie und das entsprechende Symbol cal je nach geografischer Region entweder die größere oder die kleinere Einheit bezeichnen. Diese Einheit wird häufig in wissenschaftlichen Veröffentlichungen und bei der Produktkennzeichnung verwendet, um unter anderem den Energiegehalt von Lebensmitteln pro Portion oder pro Gewichtseinheit zu quantifizieren, die empfohlene Kalorienaufnahme über die Nahrung anzugeben und die Stoffwechselraten zu beschreiben. Um Unklarheiten zu mildern, plädieren einige Wissenschaftler für die Großschreibung des Begriffs Kalorie und seines Symbols als Cal, wenn sie sich auf die große Kalorie beziehen; Dennoch wird diese Unterscheidung häufig außer Acht gelassen.
In den Disziplinen Physik und Chemie bezeichnen der Begriff Kalorie und das zugehörige Symbol typischerweise die kleinere Einheit, während die größere Einheit als Kilokalorie (kcal) bezeichnet wird. Es ist wichtig zu beachten, dass die Kalorie kein offizieller Bestandteil des Internationalen Einheitensystems (SI) ist und größtenteils als veraltete Maßeinheit angesehen wird, da sie durch die vom SI abgeleitete Energieeinheit, das Joule (J) oder das Kilojoule (kJ) für Mengen von 1.000 Joule, ersetzt wurde.
Historisch schwankte der genaue Umrechnungsfaktor zwischen Kalorien und Joule; In der modernen Thermochemie und Ernährungswissenschaft ist es jedoch allgemein anerkannt, dass eine kleine Kalorie (insbesondere die thermochemische Kalorie) genau 4,184 J entspricht. Folglich entspricht eine Kilokalorie, die einer großen Kalorie entspricht, 4184 J oder 4,184 kJ.
Verlauf
Die Etymologie des Begriffs „Kalorie“ geht auf das lateinische Wort calor zurück, das 'Wärme' bedeutet. Nicolas Clément schlug diesen Begriff zunächst in seinen Vorlesungen über experimentelle Kalorimetrie von 1819 bis 1824 als Einheit für Wärmeenergie vor. Damals bezog er sich auf die „große“ Kalorie. Anschließend wurde der mit einem Kleinbuchstaben „c“ wiedergegebene Begriff zwischen 1841 und 1867 in französische und englische Lexika integriert.
Im Jahr 1852 wurde der identische Begriff vom Chemiker Pierre Antoine Favre und dem Physiker Jean Thiébault Silbermann auf die „kleine“ Einheit angewendet.
Im Jahr 1879 unterschied Marcellin Berthelot zwischen der Grammkalorie und der Kilogramm-Kalorien, was die Verwendung von „Kalorie“ (mit einem großen „C“) zur Bezeichnung der größeren Einheit vorschlägt. Diese Konvention wurde später von Wilbur Olin Atwater, einem Professor an der Wesleyan University, im Jahr 1887 in einer wegweisenden Veröffentlichung über den energetischen Wert von Lebensmitteln übernommen.
Die kleinere Einheit wurde vom amerikanischen Arzt Joseph Howard Raymond in seinem Lehrbuch A Manual of Human Physiology von 1894 verwendet. Raymond befürwortete die Bezeichnung der „großen“ Einheit als „Kilokalorie“, obwohl diese Nomenklatur erst einige Jahre später breite Akzeptanz fand.
Im Jahr 1896 wurde die kleine Kalorie (cal) als Einheit im CGS-System anerkannt. Dies geschah gleichzeitig mit der etablierten CGS-Energieeinheit, dem Erg, das Clausius ursprünglich 1864 unter der Bezeichnung ergon vorschlug und 1882 offiziell angenommen wurde.
Bereits 1928 gab es erhebliche Bedenken hinsichtlich der Verwechslungsgefahr, die sich aus den beiden primären Definitionen der Kalorie ergab, und der Wirksamkeit der Groß-/Kleinschreibung zur Unterscheidung zwischen ihnen.
Das Joule wurde offiziell als SI-Energieeinheit bezeichnet während der neunten Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1948. Die Kalorie hingegen wurde in der 7. Auflage der SI-Broschüre als anschauliches Beispiel für eine Nicht-SI-Einheit angeführt.
Die alternative Schreibweise „Kalorie“ stellt eine weniger verbreitete und nicht standardmäßige Variante dar.
Definitionen
Die „kleine“ Kalorie wird im Allgemeinen als die Energiemenge charakterisiert, die erforderlich ist, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 °C (oder 1 K, was einen äquivalenten Zuwachs darstellt, der einem Prozent des Temperaturbereichs zwischen dem Schmelz- und Siedepunkt des Wassers entspricht) zu erhöhen. Die genaue Energie, die für diesen Temperaturanstieg benötigt wird, hängt sowohl vom Atmosphärendruck als auch von der Anfangstemperatur ab; Folglich haben Variationen dieser gewählten Parameter zu mehreren unterschiedlichen Definitionen für diese Einheit geführt.
In der historischen wissenschaftlichen Literatur sind die beiden am häufigsten vorkommenden Definitionen die 15 °C-Kalorie und die thermochemische Kalorie. Vor 1948 wurde die thermochemische Kalorie mit 4,1833 internationalen Joule angegeben; Anschließend wurde der heutige Standard von 4,184 J festgelegt, um sicherzustellen, dass die überarbeitete thermochemische Kalorie mit ihrer vorherigen Energiequantifizierung gleichwertig bleibt.
Nutzung
Ernährung
In Nordamerika wird im Ernährungskontext überwiegend die große Kalorieneinheit verwendet. Normalerweise wird es auch in Regierungsveröffentlichungen als „Kalorie“ mit einem kleinen „c“ und dem Symbol „cal“ bezeichnet. Als Alternative in juristischen oder wissenschaftlichen Zusammenhängen dient die SI-Einheit Kilojoule (kJ). Die meisten amerikanischen Ernährungswissenschaftler bevorzugen Kilokalorien gegenüber Kilojoule, während die meisten Physiologen Kilojoule bevorzugen. Umgekehrt entscheiden sich Ernährungswissenschaftler in den meisten anderen Ländern für das Kilojoule statt für die Kilokalorie.
In Europa quantifizieren Nährwertangaben die Energie sowohl in Kilojoule als auch in Kilokalorien, angegeben durch die Abkürzungen „kJ“ bzw. „kcal“.
In China werden Energiewerte ausschließlich in Kilojoule angegeben.
Lebensmittelenergie
Die Kilokalorie wird hauptsächlich zur Quantifizierung der Nahrungsenergie verwendet, insbesondere der spezifischen Energie (Energie pro Masseneinheit), die beim Stoffwechsel verschiedener Nahrungsmittelarten freigesetzt wird. Fett (Triglycerid-Lipide) liefert beispielsweise 9 Kilokalorien pro Gramm (kcal/g), während Kohlenhydrate (Zucker und Stärke) und Protein jeweils etwa 4 kcal/g enthalten. Alkohol in Lebensmitteln trägt 7 kcal/g bei. Darüber hinaus quantifiziert die große Kalorie die empfohlene Nahrungsaufnahme oder den empfohlenen Nährstoffverbrauch, oft ausgedrückt als „Kalorien pro Tag“.
Diäten umfassen den regulierten Verzehr von Nahrungsmitteln zu Zwecken wie der Gewichtskontrolle (Abnahme, Beibehaltung oder Zunahme) oder der Vorbeugung und Behandlung von Erkrankungen wie Diabetes und Fettleibigkeit. Da eine Gewichtsreduktion mit einer Verringerung der Kalorienaufnahme einhergeht, haben sich verschiedene kalorienreduzierte Ernährungspläne als allgemein wirksam erwiesen.
Chemie und Physik
In anderen wissenschaftlichen Disziplinen bezeichnen der Begriff „Kalorie“ und das Symbol „cal“ fast immer die kleine Kalorie; während die große Kalorie normalerweise als „Kilokalorie“ bezeichnet und mit „kcal“ symbolisiert wird. Es quantifiziert in erster Linie die Energie, die bei einer chemischen Reaktion oder Phasenänderung freigesetzt wird, üblicherweise ausgedrückt pro Mol Substanz, beispielsweise in Kilokalorien pro Mol. Darüber hinaus wird es manchmal verwendet, um andere Energieparameter zu definieren, die mit der Reaktionsenergetik verbunden sind, einschließlich der Bildungsenthalpie und der Größe der Aktivierungsbarriere. Dennoch wird seine Verwendung nach und nach durch die SI-Einheit Joule (J) und seine metrischen Vielfachen wie Kilojoule (kJ) ersetzt.
Die anhaltende Anwendung in der Chemie beruht hauptsächlich auf der Beobachtung, dass die durch eine wässrige Reaktion freigesetzte Energie, wenn sie in Kilokalorien pro Mol Reaktant angegeben wird, ungefähr dem Produkt aus der molaren Konzentration des Reaktanten (Mol pro Liter) und der Temperaturänderung der Lösung (in Kelvin oder Grad Celsius) entspricht. Diese Näherung beruht jedoch auf der Annahme, dass die volumetrische Wärmekapazität der Lösung 1 kcal/(L⋅K) beträgt, eine Annahme, die selbst für reines Wasser nicht präzise ist.