Калория

Кало́рия (лат. calor — «тепло») — внесистемная единица измерения энергии, исторически определяемая как количество теплоты, необходимое для нагревания одного грамма воды на один градус Цельсия при определённых условиях. Термин ввёл в научный оборот шведский физик Иоганн Вильке[1]. Несмотря на официальное замещение Джоулем в системе СИ, калория продолжает широко использоваться в пищевой промышленности, медицине и бытовых расчётах энергетической ценности. Существуют три основных вида калории, которые незначительно различаются по величине.

Международная организация законодательной метрологии относит калорию к таким единицам измерения, которые должны быть изъяты из обращения как можно скорее там, где они используются в настоящее время. Однако в Российской Федерации все три вида допущены к использованию в качестве внесистемных единиц в сфере промышленности без ограничения по срокам[2].

100-калорийные порции нескольких знакомых продуктов
100-калорийные порции нескольких знакомых продуктов

Происхождение и терминология

Языковые корни

Термин происходит от французского calorie, которое, в свою очередь, восходит к латинскому calor, означающему «тепло» или «жар»[3]. Слово закрепилось в научной лексике в середине XIX столетия и впоследствии было адаптировано в различных языках.

Параллельно с французским термином в научной литературе использовались и другие названия. Ранее были распространены термины «малая калория» (соответствует современной калории) и «большая калория» (соответствует современной килокалории), что отражало историческую необходимость различения двух масштабов измерений.

Дуализм калорийных величин

Исторически калории разделяют на два типа. В 1879 году французский химик Марцеллин Бертелот провёл чёткое различие между грамм-калорией и килограмм-калорией[1], что заложило основу для современной классификации. Малая калория определяется через нагревание одного грамма воды, тогда как большая калория — через килограмм воды. Параллельно в технической практике использовались производные единицы: фригория как отрицательная килокалория в холодильной технике, а также термия, равная одному миллиону калорий.

Различие между этими единицами часто становилось источником путаницы. Уже в 1928 году отмечались серьёзные возражения против сосуществования двух основных определений калории и обсуждалась целесообразность их различения посредством использования заглавной буквы[4].

Упаковка Lender’s Bagels
Упаковка Lender’s Bagels

История развития

Формирование научных основ

Теоретические основы калориметрии были заложены в первой половине XIX века. Николя Клеман-Дезорм впервые представил концепцию большой калории как единицы тепловой энергии в своих лекциях 1819—1824 годов[5]. Это стало отправной точкой для систематического изучения тепловых процессов.

Параллельно развивались работы по установлению теплового эквивалента, проводимые Юлиусом Робертом фон Майером в 1842 году и Джеймсом Джоулем в 1850 году. Их исследования показали взаимосвязь между механической энергией и теплотой, что создало научную базу для точного определения калории.

При создании системы измерений главным ориентиром служила вода. Существенным фактором было то, что в выбранной системе плотность воды равнялась примерно 1, что делало расчёты и стандартизацию значительно проще[6].

Практическое внедрение

Малая калория получила научное обоснование благодаря работам химика Пьера Антуана Фавра и физика Иоганна Зильбермана в 1852 году[1]. Их методология позволила стандартизировать измерения тепловых процессов в лабораторных условиях.

Система СГС официально признала малую калорию в 1896 году, что совпало с принятием эрга как основной единицы энергии. Эрг был предложен Рудольфом Клаузиусом ещё в 1864 году под названием «эргон» и официально утверждён в 1882 году. На рубеже XIX—XX веков в научном сообществе шли активные дискуссии о том, должна ли калория определяться через фиксированное числовое соотношение с эргом или джоулем, или же следует сохранить прежний способ вычисления, основанный на свойствах воды.

Применение в питании

Революционным стало применение калориметрии в анализе пищевых продуктов. Профессор Уилбур Олин Этуотер из Уэслианского университета в 1887 году начал использовать килограмм-калорию для оценки энергетической ценности продуктов питания[5]. Это заложило основы современной диетологии и нутрициологии.

Стандартизация и метрологическое регулирование

Международная унификация калории

Ключевым этапом стандартизации стала Первая мировая конференция по свойствам воды и пара в Лондоне в 1929 году, где была введена международная калория[7]. Она определялась как 1/860 международного ватт-часа, что обеспечивало связь с электрическими измерениями.

Важно отметить, что международные единицы того периода (ватт, ом, вольт) отличались от современных абсолютных единиц примерно на 0,019 %, что влияло на точность калориметрических расчётов. Это различие возникало из-за того, что прежние определения были более практичными, но независимыми от фундаментальных единиц метра и килограмма.

Национальные калориметрические системы

В Советском Союзе с 1934 по 1957 год официально применялась 20-градусная калория[7], определяемая через нагревание воды с 19,5 до 20,5 градусов Цельсия. Точность этого определения составляла 0,02 %.

Выбор именно 20-градусной калории был обусловлен практическими соображениями: эта температура была близка к стандартным лабораторным условиям и обеспечивала воспроизводимость измерений в различных климатических зонах страны.

Переход к системе СИ

В 1948 году девятая Генеральная конференция по мерам и весам официально осудила использование калорий[8]. Джоуль был утверждён в качестве единственной официальной единицы энергии в системе СИ.

В первой брошюре СИ 1970 года калория была классифицирована как «не рекомендуемая к использованию» единица, что окончательно закрепило её вспомогательный статус в научных измерениях.

Любопытно, что уже в 1948 году некоторые учёные ставили под сомнение целесообразность параллельного использования двух различных единиц энергии — калории и джоуля, что предвосхитило будущий переход к единой системе измерений.

Современные определения

Международная стандартная калория

Действующий международный стандарт устанавливает точное соотношение: 1 калория равна 4,1868 джоуля[9]. Это значение было утверждено в 1956 году на Пятой международной конференции по свойствам водяного пара в Лондоне[10]. Выбор именно этого числа был обусловлен его удобством для конверсии с британскими тепловыми единицами, поскольку эта последовательность делится на 18 без остатка.

Определение обеспечивает точную конверсию в электрические единицы: 1 ккал/ч = 1,163 Вт. Конечное число десятичных знаков упрощает инженерные вычисления.

Термохимическая калория

В термохимических расчётах применяется несколько иная трактовка: 1 калория составляет точно 4,184 джоуля[11]. Первоначально она была определена как 4,1833 международных джоуля, но позднее переопределена для сохранения энергетической эквивалентности при переходе к абсолютным единицам.

Единица измерения была разработана Национальным бюро стандартов США и получила название «калория Россини» в честь известного термохимика[12]. Её преимущество заключается в полной независимости от теплоёмкости воды, что устраняет влияние изменения температуры на результаты вычислений.

Температурно-зависимые определения

Существует несколько специализированных определений, учитывающих температурную зависимость теплоёмкости воды[12]:

  • 15-градусная калория (4,1855 Дж) с погрешностью ±0,3 миллиджоуля;
  • 4-градусная калория (4,204 Дж), соответствующая максимуму плотности воды;
  • 20-градусная калория (4,182 Дж), используемая в пищевой промышленности;
  • средняя калория (4,190 Дж), равная сотой части энергии нагрева воды от 0 до 100 °C.

Различия между ними составляют менее 0,07 %, что позволяет считать их взаимозаменяемыми в расчётах, не требующих высокой точности. Также использовались 0-градусная и 25-градусная калории для специфических применений.

Энергетические эквиваленты

Связь с другими единицами

Калория связана с различными единицами энергии через точные коэффициенты пересчёта. 1 джоуль ≈ 0,239 калории[13]. Для электрических измерений: 1 киловатт-час приблизительно равен 0,86 мегакалории, а одна гигакалория эквивалентна 1 163 киловатт-часа.

В атомной физике используется пересчёт в электрон-вольты: 1 эВ ≈ 3,83×10⁻²⁰ калории, что обеспечивает переход между макроскопическими и квантовыми энергетическими масштабами.

Взрывчатые эквиваленты

В военном деле и пиротехнике используется тротиловый эквивалент, где одна килотонна ТНТ приравнивается к одной термохимической теракалории. Это соотношение основано на близости энергии взрывного разложения тринитротолуола и килокалории[13].

Британская тепловая единица (BTU), широко применяемая в англоязычных странах, составляет 251,7 калории, что облегчает международные технические расчёты.

Отслеживание сожженных калорий при езде на велосипеде
Отслеживание сожженных калорий при езде на велосипеде

Биоэнергетика

Энергетическая ценность макронутриентов

Компоненты пищи обладают разной энергетической плотностью. Белки содержат 4 килокалории на грамм[14], что совпадает с энергетической ценностью углеводов (3,75 ккал/г в более точных измерениях). Жиры являются наиболее энергоёмкими макронутриентами с содержанием 9 килокалорий на грамм.

Этиловый спирт занимает промежуточное положение с энергетической ценностью 7 килокалорий на грамм[15]. Искусственные жиры и жиры морепродуктов демонстрируют вариативность от 4 до 8,5 ккал/г, что позволяет оценивать их долю в общем жировом составе продуктов.

Для оценки энергетической пищевой ценности в научных исследованиях используется термохимическая калория, тогда как международная калория применяется в стандартизированных измерениях и официальных документах.

Методы калориметрии пищи

Определение энергетической ценности осуществляется через сжигание продуктов в калориметре с измерением выделяющегося тепла в водяной бане[16]. Аналогичный принцип применяется для подсчёта энергозатрат человека в герметичной камере калориметра.

Важное различие существует между полной энергетической ценностью (определяемой сжиганием) и физиологической ценностью, поскольку живой организм не способен к абсолютному окислению всех компонентов пищи.

Общее количество калорий из животного белка в зависимости от среднего роста мужчины, 1996 г.
Общее количество калорий из животного белка в зависимости от среднего роста мужчины, 1996 г.

Физиологические потребности

Базовые энергетические нормы

Средняя дневная потребность взрослого человека составляет 8-12 мегаджоулей, что эквивалентно 1 800-3 100 килокалорий[17]. Эти расчёты были впервые научно обоснованы Карлом фон Фойтом во второй половине XIX века и остаются актуальными по сей день.

Норма варьируется в зависимости от пола, возраста и физической активности. Активные спортсмены высокого уровня могут потреблять удвоенное количество энергии без негативных последствий для здоровья.

В диетологии часто встречается терминологическая особенность: килокалории энергетической ценности называют просто «калориями», опуская приставку «кило». Это обусловлено историческими причинами, поскольку ранее официально использовались термины «малая калория» и «большая калория».

Профессиональные нормативы

Австрийский законодательный акт о ночной и тяжёлой работе (Nachtschicht-Schwerarbeitsgesetz) устанавливает энергетические критерии: для мужчин минимум 8 374 килоджоуля (2 000 килокалорий) за восьмичасовую смену, для женщин — 5 862 килоджоуля (1 400 килокалорий)[18]. Эти нормативы используются для классификации профессий и установления соответствующих льгот.

Правовое регулирование

Европейское законодательство

С 1 января 2010 года в Европейском союзе (ЕС) энергетическая ценность пищевых продуктов должна указываться в килоджоулях на определённое количество продукта. Дополнительное указание в килокалориях разрешено на постоянной основе.

Основой современного регулирования является Регламент (ЕС) № 1169/2011 о предоставлении информации о пищевых продуктах потребителям[19]. С декабря 2016 года документ требует обязательного указания энергетической ценности в килоджоулях и килокалориях для подавляющего большинства расфасованных пищевых продуктов.

Сроки отказа от калорий неоднократно переносились: с 1990 на 2000 год, затем на 2009 год, после чего ограничения были полностью сняты из-за торговых барьеров при экспорте в третьи страны. В период с 1978 по 1981 год использование калорий в ЕС было полностью запрещено.

Согласно действующим европейским директивам, дополнительная информация в килокалориях может указываться только в скобках после основной информации в килоджоулях и не должна превышать по размеру шрифта основную единицу СИ.

Национальные системы

В Германии использование джоуля в качестве официальной единицы энергии законодательно закреплено с 1969 года[5]. В США официально разрешено использование заглавной «Calorie» для обозначения килокалорий в пищевой маркировке. Китай использует исключительно килоджоули без дополнительных указаний в калориях.

Общее количество калорий, доступных для потребления в мире по категориям продуктов питания, 1961—2021 гг.
Общее количество калорий, доступных для потребления в мире по категориям продуктов питания, 1961—2021 гг.

Физические основы

Температурная зависимость

Удельная теплоёмкость воды существенно изменяется с температурой, что влияет на точность калориметрических определений. Минимальное значение наблюдается при 30-50 °C и составляет около 4,18 кДж/(кг·К), тогда как при 0 °C и 100 °C значения возрастают до 4,22 кДж/(кг·К)[20].

Помимо температуры, на теплоёмкость влияют атмосферное давление, химическая чистота воды и изотопный состав. Эти факторы учитываются при прецизионных калориметрических измерениях.

Исторические споры о стандартизации

В начале XX века велись дискуссии о методах стандартизации калории. Одни учёные предлагали фиксированное числовое соотношение с джоулем или эргом, другие настаивали на сохранении собственной измерительной процедуры[21].

Ранние определения часто ссылались на нагревание воды от 0 °C до 1 °C, что давало относительно высокое значение около 4,22 джоуля на калорию. Позднее обсуждалось принятие за основу значения в 42 миллиона эрг (4,2 джоуля), но этот вариант не получил широкого признания.

До конца XIX века ни участок температурного интервала, в котором производится нагревание, ни его условия не оговаривались, поэтому применялись различные калории: 0-градусная, 15-градусная, 20-градусная, 25-градусная, средняя, термохимическая и другие[21].

Техническое применение

Теплоэнергетика

До широкого внедрения системы СИ мощность отопительного оборудования традиционно измерялась в килокалориях в час. Конверсионные коэффициенты составляют: 1000 ккал/ч = 1,163 киловатта = 1163 ватта, и обратно: 1000 ватт = 860 ккал/ч[22].

Промышленные применения

В современной теплоэнергетике, системах отопления и коммунальном хозяйстве используется гигакалория как основная единица измерения тепловой энергии. Для характеристики мощности оборудования применяется производная единица гигакалория в час, показывающая количество теплоты, произведённой или потреблённой за единицу времени[21].

Литература

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Hargrove J. L. History of the Calorie in Nutrition (англ.) // The Journal of Nutrition. — 2006. — Vol. 136, no. 12. — P. 2957—2961.
  2. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Правительство Российской Федерации. Дата обращения: 6 сентября 2025.
  3. ↑ Стрельникова Л. Калория: определение, происхождение термина // Химия и Жизнь : журнал / Л. Стрельникова. — 2013. — № 2. — С. 26—30. — ISSN 0130-5972.
  4. ↑ Marks P. L. The Two Calories (англ.) // Nature : журнал. — 1928. — No. 121. — P. 58. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/121058d0.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Hargrove J. L. Does the history of food energy units suggest a solution to «Calorie confusion»? (англ.) // Nutrition Journal : журнал. — 2007. — No. 6. — P. 44. — doi:10.1186/1475-2891-6-44.
  6. ↑ Ахмедова А. Б., Гараев Э. С., Багирова А. А., Нуруллаев Ю. Г. Новые определения литра в метрической системе мер // Молодой ученый : журнал. — 2023. — № 49 (496). — С. 17—18. — ISSN 2077-8295.
  7. ↑ 7,0 7,1 Калория // Большая Советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — Москва: Большая Советская энциклопедия, 1973. — Т. 11. — С. 601.
  8. ↑ Triple point of water; thermodynamic scale with a single fixed point; unit of quantity of heat (joule) (англ.) // Proceedings of the 9th CGPM (1948). — 1949. — P. 55. — doi:10.59161/CGPM1948RES3E.
  9. ↑ Calorie (C00784) in IUPAC Compendium of Chemical Terminology // International Union of Pure and Applied Chemistry. — 2025. — doi:10.1351/goldbook.C00784.
  10. ↑ Thompson A., Taylor B. N. The NIST Guide for the Use of the International System of Units. NIST Special Publication 811. — Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2008. — 90 с.
  11. ↑ Rossini F. D. Excursion in Chemical Thermodynamics, from the Past into the Future (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 1964. — Vol. 8, no. 2. — P. 95—112. — doi:10.1351/pac196408020095.
  12. ↑ 12,0 12,1 Wagman D. D., Evans W. H., Halow I., Parker V. B., Bailey S. M., Schumm S. H. Selected values of chemical thermodynamic properties. Part 1. Tables for the first 23 elements in the standard order of arrangement. NBS Technical Note 270-1. — Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 1965. — 124 с.
  13. ↑ 13,0 13,1 Гончарова Н. Г., Ишханов Б. С., Капитонов И. М. Частицы и атомные ядра. — Москва: Физматлит, 2016. — 448 с. — ISBN 978-5-9221-1459-2.
  14. ↑ Агаева С. В., Суркова А. Д., Тихонов К. К., Дадей В. А. Польза в отслеживании калорийности продуктов для здорового образа жизни // Форум молодых ученых. — 2020. — № 7 (47). — С. 3–7. — ISSN 2500-4050.
  15. ↑ Аникина Н. С., Червяк С. Н., Гниломедова Н. В. Энергетическая ценность вин: сравнительная характеристика // Индустрия питания / Food Industry. — 2020. — Т. 5, № 4. — С. 5–10. — ISSN 2686-7982.
  16. ↑ Определение теплоты сгорания твёрдого топлива / составитель В. И. Николаева. — Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2011. — 24 с.
  17. ↑ Здоровое питание для взрослых. Управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Тульской области (26 апреля 2022). Дата обращения: 6 сентября 2025.
  18. ↑ Nachtschwerarbeitsgesetz Art. 13 - Bundesrecht konsolidiert (нем.). Bundeskanzleramt der Republik Österreich (8 января 1998). Дата обращения: 6 сентября 2025.
  19. ↑ Regulation (EU) No 1169/2011 on the provision of food information to consumers // Official Journal of the European Union. — 2011. — № 304. — P. 18–62.
  20. ↑ Горбачук В. В., Зиганшин М. А., Новиков В. Б., Герасимов А. В. Руководство к практическим работам по калориметрическим методам исследования. — Казань: Казанский университет, 2018. — 51 с.
  21. ↑ 21,0 21,1 21,2 Калория // Большая советская энциклопедия / гл. ред. О. Ю. Шмидт. — Москва: Советская энциклопедия, 1925–1947, 1937. — С. 400.
  22. ↑ Шемаханов М. М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы. — Москва: Недра, 1974. — 208 с.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Калория&oldid=1946520