7.2: Енергія та її одиниці

Визначити енергію та тепло.
Пов’язати калорії з харчуванням та фізичними вправами.

Енергія - це здатність виконувати роботу. Ви можете зрозуміти, що це означає, думаючи про себе, коли відчуваєте себе “енергійним”. Ви відчуваєте, що готові йти - стрибнути і щось зробити. Коли у вас багато енергії, ви можете виконати багато роботи. На відміну від цього, якщо ви не почуваєтесь енергійними, у вас дуже мало бажання щось робити. Цей опис застосовується не тільки до вас, але також до всіх фізичних та хімічних процесів. Кількість роботи, яку можна виконати, пов’язана з кількістю енергії, доступної для її виконання.

Енергія може передаватися від одного об’єкта до іншого, якщо об’єкти мають різну температуру. Передача енергії внаслідок різниці температур називається тепловою. Наприклад, якщо ви тримаєте в руці кубик льоду, кубик льоду повільно тане, оскільки енергія у вигляді тепла передається від вашої руки до льоду. Оскільки ваша рука втрачає енергію, вона починає відчувати холод.

Через їх взаємозв'язок енергія, робота та тепло мають однакові одиниці виміру. Одиницею енергії, роботи та тепла СІ є джоуль (Дж). Джоуль - це крихітна кількість енергії. Наприклад, для нагрівання 1 мл H2O на 1 ° C потрібно близько 4 Дж. Багато процесів відбувається із зміною енергії у тисячі джоулів, тому кілоджоуль (кДж) також є загальним явищем. Ще однією одиницею енергії, яка широко використовується в медичних професіях та повсякденному житті, є калорії (кал). Спочатку калорія визначалася як кількість енергії, необхідної для нагрівання 1 г H2O на 1 ° C, але в сучасний час калорія безпосередньо пов’язана з джоулем, таким чином:

Ми можемо використовувати це співвідношення для перетворення кількості енергії, роботи або тепла з однієї одиниці в іншу.

Хоча джоуль є належною одиницею СІ для енергії, ми будемо використовувати калорію або кілокалорію (або калорію) у цьому розділі, оскільки вони широко використовуються медичним працівником

Енергетичний вміст однієї порції хліба становить 70,0 кал. Який енергетичний вміст у калоріях? У джоулях?

Рішення

Це проста проблема коефіцієнта перетворення. Використовуючи співвідношення 1 Cal = 1000 cal, ми можемо відповісти на перше питання за допомогою одноетапного перетворення:

Потім ми перетворюємо калорії в джоулі

а потім кілоджоулі

Енергетичний вміст хліба в основному походить від вуглеводів.

Енергетичний вміст однієї склянки меду становить 1030 кал. Який його енергетичний вміст у калоріях та джоулях?

1030 000 (1,03 х 10 6) кал; 4 309 520 (4,31 х 10 6) Дж

Калорія використовується в харчуванні для вираження енергетичного вмісту продуктів. Однак, оскільки калорія є досить невеликою кількістю, харчові енергії зазвичай виражаються в кілокалорій (ккал), також називається Калорії (з великої літери; Кал). Наприклад, цукерка може забезпечити 120 кал (харчових калорій) енергії, що дорівнює 120 000 кал. Рисунок \ (\ PageIndex \) показує приклад.

Рисунок \ (\ PageIndex \): Рисунок \ (\ PageIndex \): Харчова енергія. Зразок етикетки фактів харчування з інструкціями Американської адміністрації з питань харчових продуктів і медикаментів. з Вікіпедії.

Калорійність продуктів визначається шляхом аналізу їжі на вміст білка, вуглеводів, жиру, води та “мінералів”, а потім обчислюється калорійність із використанням середніх значень для кожного компонента, що виробляє енергію (9 Cal/g для жирів, 4 Cal/g для вуглеводів і білків і 0 Cal/g для води та мінералів). Приклад цього підходу наведено в таблиці \ (\ PageIndex \) для скибочки смаженої яловичини.

Таблиця \ (\ PageIndex \): Приблизний склад та паливна цінність скибочки запеченої яловичини 8 унцій СкладКалорії

97,5 г води	× 0 Cal/g = 0
58,7 г білка	× 4 Кал/г = 235
69,3 г жиру	× 9 Кал/г = 624
0 г вуглеводів	× 4 Кал/г = 0
1,5 г мінеральних речовин	× 0 Cal/g = 0
Загальна маса: 227,0 г.	Загальна калорійність: близько 900 кал

Склади та калорійність деяких звичних продуктів харчування наведено в \ (\ PageIndex \).

Оскільки Калорія представляє таку велику кількість енергії, деякі з них проходять довгий шлях. В середньому 73 кг (160 фунтів) людині потрібно близько 67 Ккал/год (1600 Ккал/добу) для підживлення основних біохімічних процесів, які підтримують цю людину в живих. Ця енергія потрібна для підтримки температури тіла, підтримки серцебиття, роботи м’язів, що використовуються для дихання, проведення хімічних реакцій у клітинах та надсилання нервових імпульсів, які контролюють ці автоматичні функції. Фізична активність збільшує кількість необхідної енергії, але не настільки, наскільки сподіваються багато з нас. Помірно активній особі потрібно близько 2500-3000 кал/день; спортсмени або інші особи, які займаються напруженою діяльністю, можуть спалювати 4000 кал/день. Будь-яка надмірна калорійність споживається організмом для подальшого використання, як правило, у вигляді жиру, що є найбільш компактним способом накопичення енергії. Коли потрібно більше енергії, ніж дієти, запасне паливо мобілізується та окислюється. Зазвичай ми вичерпуємо запас накопичених вуглеводів, перш ніж переходити на жири, що частково пояснюється популярністю дієти з низьким вмістом вуглеводів.

Для вашого здоров’я: Витрати на енергію

Більшість медичних працівників сходяться на думці, що фізичні вправи є цінною складовою здорового способу життя. Вправи не тільки зміцнюють організм і розвивають м’язовий тонус, але й витрачають енергію. Отримавши енергію з їжею, яку ми їмо, нам потрібно якось витратити цю енергію, інакше наш організм буде зберігати її нездоровими способами (наприклад, жиром). Як і вміст енергії в їжі, витрати енергії на фізичні вправи також повідомляються в кілокалоріях, як правило, кілокалоріях на годину вправ. Ці витрати варіюються в широких межах, приблизно від 440 ккал/год для ходьби зі швидкістю 4 милі/год до 1870 ккал/год для гірських велосипедів зі швидкістю 20 миль/год. У таблиці \ (\ PageIndex \) вказані витрати енергії на різноманітні вправи.

Таблиця \ (\ PageIndex \): Витрати енергії на 180 фунтів під час вибраних вправ Витрачена енергія вправ (ккал/год)

аеробіка, низький рівень	325
баскетбол	940
їзда на велосипеді, 20 миль/год	830
гольф, з візком	220
гольф, перенесення ключок	425
біг підтюпцем, 7,5 милі/год	950
ракетбол	740
лижі, спуск	520
футбол	680
йдучи нагору	1200
йога	280

Оскільки деякі форми фізичних вправ використовують більше енергії, ніж інші, кожному, хто розглядає певний режим фізичних вправ, слід спочатку проконсультуватися зі своїм лікарем.

Резюме

Енергія - це здатність виконувати роботу. Тепло - це передача енергії через різницю температур. Енергія і тепло виражаються в одиницях джоулів.

Вправи на огляд концепції

Який взаємозв’язок між енергією та теплом?

Які одиниці використовуються для вираження енергії та тепла?

Відповіді

Тепло - це обмін енергією з однієї частини Всесвіту в іншу. Тепло та енергія мають однакові одиниці виміру.

Джоулі та калорії - це одиниці енергії та тепла.

Вправи

Який взаємозв’язок між калорією та джоулем? Яка одиниця більше?

Який взаємозв’язок між калорією та кілокалорією? Яка одиниця більше?

Виразіть 1265 кал в кілокалоріях і в джоулях.

Виразіть 9 043,3 Дж у калоріях і в кілокалоріях.

Одна кілокалорія дорівнює кількості кілоджоулів?

Один кілоджоуль дорівнює кількості кілокалорій?

Багато фахівців з дієтології стверджують, що середньостатистичній людині з її дієти потрібно 2000 кал на день. Скільки це джоулів?

Суміш для немовлят зазвичай має 20,0 кал. За унцію. Скільки унцій суміші має випивати дитина на день, якщо RDI становить 850 кал?