В сосуде с водой стоит запаянная стальная бомба, и внутри неё время от времени вспыхивает образец: вокруг него разливается оранжевый ореол, а по воде снизу вверх, каждый в своём темпе, идут пузырьки разного размера. Поверхность воды дышит, столбик термометра справа поднимается вслед за вспышкой и доходит до жёлтой отметки, а по мерной линейке внизу от края до края бежит метка отсчёта.
Паспорт единицы
Вне СИ · сохранена для питания лист 1/1 · ред. 2026-09Калория cal · ккал
Внесистемная единица · величина: энергия · 4,184 джоуля ровно
Единица, которую мы едим
Число на упаковке печенья выглядит как результат измерения, но измерения там не было. Никто не сжигал это печенье в калориметре: взяли содержание белков, жиров и углеводов, умножили на четыре, девять и четыре, сложили — и напечатали. Коэффициенты подобрал американский химик Уилбур Атуотер в конце девятнадцатого века, сравнив, сколько энергии в еде выделяет огонь и сколько остаётся у человека после того, как своё возьмут пищеварение и почки.
Разница между этими двумя числами вовсе не мелочь. Сухой яичный белок в стальной бомбе даёт около пяти целых семи десятых килокалории на грамм, тогда как организму достаётся примерно четыре, поскольку азот уходит с мочевиной, не сгорев до конца. Клетчатка в бомбе горит не хуже сахара, а в кишечнике усваивается едва наполовину, да и то чужими силами — работой бактерий, — и потому в европейских правилах ей назначено всего две килокалории на грамм.
Сама же единица родом из эпохи, когда теплоту считали веществом: калория означала количество «теплорода», нужное, чтобы нагреть грамм воды на один градус. Вещества не нашли, теория рухнула, а единица уцелела, потому что оказалась удобной мерой в опытах с водой, и в конце концов её определили просто числом джоулей — четыре целых сто восемьдесят четыре тысячных, без всяких упоминаний воды.
Строчная cal — это малая калория, а прописная Cal в американских книгах о питании означает килокалорию, то есть ровно в тысячу раз больше, отчего одна и та же буква в разных изданиях различается на три порядка. В русском тексте пишут «ккал» без точки, и лучше держаться этой записи, а «калорийность» — это свойство продукта, а не название единицы.
Калорий существует несколько, и они не равны между собой: термохимическая равна четырём целым ста восьмидесяти четырём тысячным джоуля точно, международная — четырём целым одной тысяче восьмистам шестидесяти восьми десятитысячным, а пятнадцатиградусная определена через настоящий опыт с водой. Кроме того, число на этикетке получено не в калориметре, а расчётом, и сама единица давно вытеснена джоулем всюду, кроме кухни.
01 · Определение
грамм воды на градус · бомба · поправки АтуотераИсторически калория есть количество теплоты, которым грамм воды нагревают на один градус Цельсия, и определение это оказалось зыбким, поскольку теплоёмкость воды сама зависит от температуры. Оттого и появились несколько калорий сразу: пятнадцатиградусная, отсчитанная от точки между четырнадцатью с половиной и пятнадцатью с половиной градусами, международная паровая и термохимическая, которую в итоге просто приравняли к четырём целым ста восьмидесяти четырём тысячным джоуля.
Такое определение окончательно, а опыт с водой остался лишь напоминанием о происхождении. Зато оно удобно тем, что простое соотношение сохранилось: одна килокалория по-прежнему нагревает килограмм воды примерно на градус, и потому любую пищевую цифру легко перевести в понятную картину — банка сладкой газировки, вылитая в чайник, подняла бы литр воды почти до кипения.
С пищей дело сложнее, поскольку человек не печь. В стальной бомбе под тридцатью атмосферами кислорода сгорает всё без остатка, а в организме часть энергии уходит непереваренной, часть тратится на само усвоение и часть покидает тело с азотистыми соединениями. Атуотер измерил эти потери на людях в дыхательной камере и вывел коэффициенты, которые с тех пор почти не менялись: четыре килокалории на грамм белка, девять на грамм жира, четыре на грамм углеводов, семь на грамм этанола.
Позднее выяснилось, что и эти числа усреднены сверх меры. Миндаль, посчитанный по этикетке, даёт около шести килокалорий на грамм, а измеренный на людях — примерно четыре и шесть десятых, потому что жир заперт в клеточных стенках и часть его проходит транзитом; у цельных орехов и бобовых расхождение доходит до четверти. Единица тут ни при чём — она честно считает джоули, — а вот способ применения её к еде остаётся приближением, о котором на упаковке не пишут.
Почему бомба всегда завышает
Слева образец лежит в стальной бомбе, опущенной в воду: при вспышке вокруг него разливается пламя, вода закипает пузырьками у стенок, а столбик термометра ползёт вверх ровно настолько, насколько хватило выделенной теплоты и сколько воды налито в рубашку. Справа то же самое разложено в два столбика: полная теплота сгорания и та её часть, которую по коэффициентам Атуотера засчитают человеку, причём у белка и у орехов разрыв виден сразу. Меняйте навеску и количество воды: энергия от воды не зависит, а вот подъём температуры — очень, и в этом вся хитрость измерения.
02 · Пересчёт
энергия · тарелка · движениеОдна энергия в трёх разговорах
Первая вкладка раскладывает введённое число по единицам энергии. Вторая переводит его в еду: сколько это граммов жира, сахара или белка и какая доля суточного рациона. Третья отвечает на вопрос, который задают чаще прочих, — сколько нужно двигаться, чтобы это израсходовать.
Правило для памяти: килокалория — это чуть больше четырёх килоджоулей, а килоджоуль — примерно четверть килокалории.
Строки про движение считаны для человека массой семьдесят килограммов и годятся только для порядка величины: расход зависит от массы, тренированности и темпа, а часть съеденного тело потратит на само пищеварение. Точность здесь мнимая, и округлять такие числа до десятых бессмысленно.
| Величина | Значение | Пояснение |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Приборы измерения
ледяной калориметр · бомба · камера · маскаЧетыре способа поймать теплоту
Прибор, где мерой служил лёд
Лавуазье и Лаплас поместили источник теплоты в полость, окружённую льдом, и вместо градусника взвешивали воду, стёкшую из тающей оболочки, поскольку на плавление каждого грамма льда уходит строго определённая теплота. В этой машине зимой семьсот восемьдесят второго года держали морскую свинку, чтобы узнать, сколько тепла выделяет живое дыхание, и получили величину, близкую к теплоте горения угля, — отсюда и пошёл взгляд на дыхание как на медленное горение.
Стальная бомба в ведре воды
Навеску в доли грамма поджигают проволочкой внутри толстостенного сосуда, наполненного чистым кислородом, и вся выделившаяся теплота уходит в окружающую воду, температуру которой снимают с точностью до тысячных градуса. Прибор не знает, что именно сожжено — печенье, уголь или бумагу, — и оттого даёт полную теплоту сгорания, ту, которую человек никогда не получит целиком. Постоянную калориметра определяют заранее по бензойной кислоте, теплота сгорания которой принята за образцовую.
Комната, считающая человека
Атуотер построил герметичную камеру, в которой доброволец жил сутками, и измерял всё: съеденное, выдохнутое, выделенное и выделившуюся теплоту. Именно из этих опытов вышли коэффициенты четыре, девять и четыре, а заодно первое надёжное подтверждение того, что закон сохранения энергии работает и в человеке. Нынешние камеры делают то же самое, но считают энергию не по теплу, а по газообмену, поскольку соотношение поглощённого кислорода и выдохнутого углекислого газа выдаёт, что именно организм сжигает в эту минуту.
Браслет, который ничего не меряет
Фитнес-датчик не видит ни кислорода, ни теплоты, а считывает пульс и ускорения, подставляя их в регрессию, построенную на чужих людях, и потому его число — не измерение, а оценка с разбросом в десятки процентов. Сравнения с дыхательной камерой показывают, что частоту пульса такие устройства ловят прилично, а расход энергии — плохо, причём ошибка растёт именно там, где пользователю интереснее всего: на силовой работе и в покое. Пользоваться ими стоит как весами, показывающими тенденцию, а не как прибором.
05 · Правила записи
cal и Cal · ккал · кДж рядомОдна буква ценою в тысячу
Почти все ошибки здесь происходят из смешения малой калории с килокалорией, и цена такой описки в тексте о питании — три порядка.
Первая и четвёртая строки путают малую калорию с килокалорией, и потому обещают, что яблоко согреет пятьдесят два грамма воды на градус, тогда как на деле оно согреет пятьдесят два литра. Вторая двусмысленна по самой записи, а потому в научном тексте прописную Cal лучше не употреблять вовсе. Третья экономит на множителе там, где это заметно: округление до четырёх целых двух десятых добавляет треть процента, и в балансе большого исследования такая мелочь всплывает. Пятая коверкает обозначение, которое пишется строчными и без точки, а шестая соединяет обе беды разом, обещая продукту теплотворность мокрой бумаги.
06 · Соседние единицы
джоуль · киловатт-час · британская тепловаяВсе соседи калории — это та же энергия, только отмеренная по разным поводам: джоуль вышел из механики, киловатт-час из электрического счётчика, британская тепловая единица из отопления, а калория из опыта с водой. Между ними нет ничего, кроме множителей, и различает их лишь привычка отрасли.
Единица системы, через которую калория теперь и определена: работа силы в ньютон на пути в метр, она же теплота, она же энергия электрона в поле.
Единица счётчика: в ней столько же энергии, сколько в трёх сытных обедах, и это сравнение отрезвляет всякого, кто впервые его проводит.
Ровно та же мысль, что и в калории, но с фунтом воды и градусом Фаренгейта; живёт в паспортах кондиционеров и котлов.
Из паспортов Simetrium рядом стоят киловатт-час и лошадиная сила: обе появились не из теории, а из торговли — одна ради счёта за электричество, другая ради объяснения выгоды паровой машины, — и обе, как калория, пережили систему, которая должна была их вытеснить.
07 · Исторический раздел
архив · от теплорода к этикеткеКак исчезнувшее вещество осталось на упаковке
{title}
{text}
У жира разрыв невелик, у белка достигает трети, а клетчатке в европейских правилах засчитывают ровно половину того, что она отдаёт огню.
Единица без эталона и без права на точность
У калории нет и не может быть эталона, поскольку она с самого начала не самостоятельная величина, а джоуль в другом масштабе, и всё, что можно поверить, — это приборы, которыми меряют теплоту. Бомбовый калориметр поверяют бензойной кислотой, дыхательную камеру — сжиганием известного количества спирта прямо внутри, а вот число на упаковке не поверяет никто, потому что оно вычислено, а не измерено.
Отсюда и странный статус единицы. В физике её вытеснили окончательно: тепловые расчёты ведут в джоулях, и калория осталась разве что в старых таблицах да в определении тонны тротила, которая по соглашению равна миллиарду калорий ровно. В питании же она держится крепче некуда, поскольку числа в четыре килоджоуля непривычны, а порядок «двух тысяч в сутки» въелся в обиход так же прочно, как градус Цельсия.
Стоит только помнить, что точность этих чисел иная, чем кажется. Законы разрешают отклонение энергетической ценности от заявленной на пятую часть, состав продукта плавает от партии к партии, коэффициенты Атуотера усреднены по всем продуктам сразу, а усвоение зависит ещё и от того, измельчена пища или нет и что съедено вместе с нею. Единица здесь ни при чём: она честно отсчитывает джоули, а вот применяющая её арифметика остаётся приближением, и ждать от неё третьего знака — то же самое, что мерить рост тенью.
Каталог величин
энергия, теплота и обмен веществБазовые единицы СИ
подсвечены килограмм, метр и секунда — из них собран джоульЧто в тарелке и сколько это стоит движения
все столбцы посчитаны из состава, а не вписаны| Порция | ккал | кДж | Доля | Ходьбы | Бега |
|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {kcal} | {kj} | {share} | {walk} | {run} |
Два последних столбца объясняют, почему расчёт «съел и отработал» почти никогда не сходится: съесть тысячу килокалорий можно за десять минут, а израсходовать их движением — за несколько часов, и потому питание и физическая работа несопоставимы по скорости, хотя и измеряются одной единицей. К тому же тело в покое тратит основную часть суточной энергии само, на дыхание, кровообращение и поддержание температуры, так что движение добавляет к этому меньше, чем принято думать.