當你拿起一塊糖果時，仔細看看包裝。 在美國，自 1994 年以來，法規要求所有包裝食品都標有以下名稱："營養成分標籤"標籤。 標籤上標明了糖果中有多少豆子，它含有多少糖、蛋白質、脂肪和鈉。 然而，更令人興奮的是能量的測量，也稱為："卡路里"。糖果有多少能量？在物理學中，能量就像是跟蹤不同行為的工具。 換句話說，如果你計算某物下落前後的能量總量，它的值保持不變。
能量通過各種相互作用從一種形式轉化為另一種形式。 這些形式可以看作是不同的"味道"能源。 與物體運動相關的能量稱為動能。 引力場中存在的能量稱為引力勢能。 兩個帶電粒子之間的相互作用中也存在能量，這種能量稱為勢能。 當物體被加熱時，熱能會增加。 所有這些能量都可以相互轉化。 那麼，我們如何將一種能量轉化為另一種能量呢？事實上，我們每天沖泡咖啡時都可以這樣做。 當電流通過電線時，電線會產生熱量。 這種熱量可用於燒開水，也稱為熱量。 通過測量流過電線的電流和電壓，我們可以計算出等於水熱能變化的電能。
機械能和熱能之間存在某種關係。 假設有乙個由旋轉槳攪拌的水箱。 槳葉裝置由三部分組成：底部的槳，中間的繩索，以及沿著繩索從上到下滑動的重物。 當重物在重力作用下滑動時，槳會旋轉並推動水。 這導致水流動，但過程中的摩擦也會使水變暖。 當重物沿著繩索移動時，重力勢能的變化等於水的熱能的變化。 運動能量轉化為熱能。
在物理學中，我們通常使用焦耳作為能量單位。 過去，我們將一焦耳定義為通過施加一牛頓的力將物體移動一公尺而產生的能量。 此外，在一秒鐘內施加一安培電流和一伏電壓獲得的能量也是一焦耳。 這些單元看起來有點抽象，所以讓我們做乙個簡單的實驗來感受它們。 例如，拿起一本教科書，把它扔在地上，然後把它舉在桌子上。 當書向上移動時，它會吸收更多的引力勢能。 增加的能量約為 10 焦耳。 這樣，我們可以更好地理解焦耳作為能量單位。
卡路里是一種能量測量單位，主要用於描述熱量和溫度的變化。 卡路里被定義為將一克水的溫度公升高一攝氏度所需的能量。 讓我們談談標籤上含有 200 卡路里熱量的糖果。 雖然這個數字看起來很合理，但實際上這意味著糖果不僅含有 200 卡路里的熱量，還含有 200,000 卡路里的熱量。 食品包裝上的數字通常以千卡計算，相當於實際能量的一小部分。 為避免混淆，它有時被稱為"食物卡路里"以區別於"化學熱"。有些人會"卡路里"大寫表示它們是食物卡路里。 這樣，可以更好地理解卡路里的概念。
假設你的任務是在一塊糖果中消耗 200,000 卡路里的熱量。 你決定通過做引體向上來實現這一目標。 每次你做引體向上時，你的肌肉都會移動，在你抬起身體時消耗能量，並產生重力勢能。 通過簡單的計算，假設您的體重約為 70 公斤，則每次引體向上的能量變化約為 412 焦耳。 然而，人體並不是乙個完美的能量機器，實際上從食物中消耗更多的能量。 假設效率為 10%，每次上拉將消耗約 1000 kcal 的食物能量。 這意味著要燒掉一塊糖中所含的 200,000 大卡，您需要做 200 個引體向上。
假設你創造了乙個叫做"牛頓牛軋糖"創新的糖果，融合了物理學原理。 然而，在上市之前，需要確定這種糖果的卡路里含量。 測量食物能量含量的一種方法是使用炸彈量熱儀。 炸彈被密封並充滿氧氣。 點火源與氧氣發生反應，引起燃燒反應，點燃糖果。 當然，物體在反應過程中會產生熱量。 現在，如果我們能測量反應產生的熱能變化，我們就可以計算出糖果中所含的能量。
為了測量熱能的變化，我把炸彈放在水裡。 反應後，炸彈和水的溫度都會公升高，你可以用溫度計測量這種變化。 通過了解水和金屬炸彈容器的熱特性，溫度的變化可用於計算熱能的變化。 這種能量就是那顆小糖果所蘊含的能量。 將其轉換為食物卡路里的奇數單位，您就會得到包裝上的數字。
加熱一克牛軋糖會使兩公斤水的溫度公升高一攝氏度。 這意味著每克牛軋糖含有 2 千卡的能量。 這意味著每克糖果含有 2 千卡的能量。 實際上還有另一種計算卡路里的方法。 如果您知道糖或牛奶等每種成分中所含的卡路里，則可以根據每種成分的含量計算總卡路里。
如果您對文章感興趣，請關注我或給我留言