یک روش متفاوت برای محاسبه کالری خوراکی ها - مجله روگذر

غزال زیاری: این روزها بر روی بسته بندی بیشتر موادغذایی جدولی که نشانگر نکات تغذیه ای آن است به چشم می خورد. در آمریکا از سال 1994، درج چنین برچسبی برروی تمامی مواد غذایی بسته بندی شده اجباری شده است و در این جدول اطلاعاتی درباره مقدار وعده، مقدار قند، پروتئین، چربی و سدیم آن ذکر می گردد.

اما مهم ترین نکته، معیار سنجش انرژی است که تحت عنوان کالری مطرح می گردد. ولی وقتی در خصوص یک شکلات صحبت می کنیم، انرژی چه معنایی خواهد داشت؟

طعم های مختلف انرژی

در علم فیزیک، مفهوم انرژی به ما یاری می نماید تا انواع مختلف تعاملات را پیگیری کنیم. ما معتقدیم که انرژی در تمامی فعل و انفعالات حفظ می گردد؛ 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 روبرو 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 طعم های انرژی بنامم. انرژی یک جسم متحرک، طعمی دارد که آن را انرژی جنبشی می نامیم. انرژی ذخیره شده در یک میدان گرانشی، طعمی است که ما آنرا انرژی پتانسیل گرانشی نامگذاری می کنیم. انرژی ذخیره شده در تعامل بین دو ذره باردار، انرژی پتانسیل الکتریکی است و البته وقتی هر چیزی گرم می گردد، انرژی حرارتی آن افزایش می یابد.

تمام انواع انرژی قابل تغییر هستند. چطور می توان طعم انرژی را به طعمی دیگر تغییر داد؟ واقعیت این است که ما هر روزه وقتی یک فنجان قهوه دم می کنیم، همین کار را انجام می دهیم. زمانی که جریان (انرژی الکتریکی) از سیم عبور می نماید، سیم داغ می گردد و می توان از این گرما برای بالا بردن دمای آب بهره برد که این انرژی حرارتی است.

ما می توانیم انرژی الکتریکی را با مقدار گیری 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 می خواهید از پره یا پاروهای چرخان برای هم زدن آن بهره ببرید. سیستم پره ای 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 می لغزد. همان طور که گرانش، وزنه را در امتداد طناب پائین می کشد، پره ها می چرخند و آب را فشار می دهند. این عمل باعث حرکت کردن آب می گردد؛ اما این فعل و انفعال اصطکاکی، آب را گرم هم می نماید. 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 می توان به عنوان انرژی ای تعریف کرد که نیروی یک نیوتونی در یک متر حرکت فراوری می نماید. 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 لحظه ای که کتاب را از روی زمین برمی دارید و بالا می برید، انرژی پتانسیل گرانشی آن بیشتر می گردد و افزایش این انرژی تقریبا معادل 10 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 می آید؛ بنابراین با تغییرات دما مرتبط خواهد بود. ارزش یک کالری برابر با انرژی لازم برای افزایش دمای یک گرم آب به مقدار یک درجه سانتیگراد است.

در هر صورت، انرژی، هنوز همان انرژی است. اگر از جریان الکتریکی برای گرم کردن یک گرم آب به مقدار یک درجه سانتیگراد بهره ببرید، به 4.184 ژول انرژی احتیاج خواهید داشت. پس یک کالری معادل 4.184 ژول است.

• 7 شی باستانی که هنوز کاربردشان را کشف ننموده ایم

• تبخیر آب به یک روش غیرمعمول!

حالا روی بسته بندی یک شکلات درج شده که حاوی 200 کالری است. این مقدار معقولی به نظر می رسد؛ ولی یک خبر بد برایتان داریم. یک شکلات در حقیقت 200 هزار کالری دارد و نه 200 کالری. معیارهای روی بسته بندی های مواد غذایی بر حسب کیلوکالری ارائه می شوند؛ بنابراین در حقیقت رقم درج شده، یک هزارم انرژی موجود در آن ماده غذایی است. برای آنکه گیج نشوید، ما گاهی وقت ها بین کالری موادغذایی با کالری های شیمیایی تمایز قائل می شویم. بعضی افراد کالری (Calorie) را با C بزرگ می نویسند تا به کالری مواد غذایی اشاره نمایند.

حالا فرض کنید که بخواهید 200 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 می گیرند. به فرض توده بدن شما 70 کیلوگرم است و بخواهید بدنتان را برای 60 سانتی متر کش دهید؛ برای انجام هر کشش، حدود 412 ژول (درست در حدود 100 کالری شیمیایی یا یک دهم کالری موادغذایی) می سوزانید.

طبیعتا بدن انسان کاملا کارآمد نیست. بنابراین انرژی غذایی بسیار بیشتری برای انجام حرکت کششی و تحمل وزن شما احتیاج است. اگر بازدهی را 10% در نظر بگیرید، بدین ترتیب یک فرد در انجام هر حرکت حدود 1000 کالری شیمیایی می سوزاند. این بدین معناست که برای سوزاندن 200 هزار کالری موجود در شکلات، باید 200 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 نو برپایه علم فیزیک به نام Newton Nougat Crunch درست نموده ام. قبل از عرضه این شکلات به بازار، باید مشخص کنم که چقدر کالری دارد. یکی از روش های مقدار گیری محتوای انرژی موادغذایی، استفاده از کالری سنج بمب است. بله؛ این یک موضوع واقعی است. این تصویری از نسخه قدیمی تر این دستگاه است.

در سمت راست، یک ظرف فلزی دیده می گردد. این قسمت، بمب است (البته خود دستگاه قرار نیست منفجر گردد ولی هر چیزی که درون آن قرار می گیرد را می سوزاند). من یک تکه کوچک از شکلات نوم را داخل آن قرار می دهم و اگر بتوانم انرژی موجود در این تکه کوچک را محاسبه کنم، می توانم به مقدار انرژی کل آن برسم.

در ادامه، بمب با اکسیژن پر و پلمپ می گردد. منبع احتراق، واکنش احتراقی را با به کارگیری اکسیژن داخل مخزن شروع نموده و فرایند سوزاندن شکلات شروع می گردد. طبیعتا این واکنش با حرارت همراه است. حالا اگر بتوانم تغییرات در انرژی حرارتی واکنش را مقدار گیری کنم، می توانم به محاسبه مقدار انرژی موجود در شکلات بپردازم.

برای محاسبه تغییر انرژی گرمایشی، من بمب را در یک مخزن آب قرار می دهم. بعد از انجام واکنش، دمای بمب و آب افزایش می یابد که می توان افزایش این دما را با یک دماسنج مقدار گرفت. اگر خواص حرارتی آب و محفظه فلزی بمب را بدانید (که ما می دانیم)، می توان با آنالیز تغییر در دما، به محاسبه تغییر انرژی حرارتی پرداخت. این انرژی، همان انرژی ای 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 بسته بندی ها محاسبه و طراحی می شوند.

در طی این آزمایش، حرارت دادن یک قطعه یک گرمی از شکلات ما، دمای دو کیلوگرم آب را به مقدار یک درجه سانتیگراد بالا برد. این بدان معناست که هر یک گرم از شکلات ما، حاوی 2 کیلوکالری است. اگر کل شکلات 50 گرم باشد، حاوی 100 کالری موادغذایی خواهد بود (این عدد برای یک تخته شکلات واقعی خیلی کم است ولی ما در خصوص یک شکلات فرضی در دنیای فیزیک صحبت می کنیم.)

البته شیوه دیگری برای محاسبه و مقدار یری کالری وجود دارد. اگر ارزش کالری تمام مواد موجود در شکلات (مثل مقدار شکر و شیر و دیگر مواد اولیه) را بدانید، می توانید براساس مقدار هر ماده مورد استفاده، کالری کلی آن را محاسبه کنید. اما منطقا استفاده از کالری متر بمب، هیجان انگیزتر خواهد بود.

منبع: wired

5858