灵魂之问，食物热量单位为什么是卡路里？

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来源：IEEE

编译：陈之炎

新年新气象，吃什么才能使小蛮腰更加苗条？

要达到这一目标，自然而然机会想到计算食物的卡路里，控制自己的饮食。

这一切都要归功于一个叫威尔伯·阿特沃特（Wilbur O. Atwater）的美国人，正是他引入了食物能量单位——卡路里。

1873年至1907年，阿特沃特是康涅狄格州卫斯理大学的化学教授。

在去慕尼黑学习之后，他对营养和代谢的兴趣日渐深入，在慕尼黑，他学到了德国人分析食物营养含量的技术，通过调研食物中的化学能与体能之间的相关性，来确保工人的合理饮食。

1887年，阿特沃特发表了题为“食物的潜在能量”的文章，文中他将热量定义为将一公斤水的温度升高1摄氏度（或一磅水4华氏度的热量）。

他试图证明一个单位的热量可能是一个单位的机械能，为此他定义一个卡路里为1.53英尺吨——也就是说，需要举起一吨物体一英尺的力。

文中，阿特沃特列出了各种食物的卡路里计数，如瘦牛肉相当（807)、黄油(3,691)、普通牛奶(308)和脱脂牛奶(176)、燕麦片(1,830)和萝卜(139）。

数据基于对每种食物中营养、蛋白质、脂肪和碳水化合物的数量的估计，通过一些实验获得。

虽然现代食物的卡路里计算方法与阿特沃特的计算方法略有不同，但他的估计数据依然可用，1克蛋白质含有4.1卡路里，1克脂肪含有9.3卡路里。

阿特沃特利用了一种称为炸弹量热仪的仪器来做实验，这种仪器在当时已经广泛使用，它用来测量在反应过程中放出的热量：将样品放置在一个叫做炸弹的钢反应容器中，然后浸入水中，用电流启动样品，水由此产生热量，按一定的时间间隔记录水的温度。

阿特沃特和卫斯理的物理学家爱德华·罗莎、化学家弗朗西斯·本尼迪克特开发出一种呼吸量热计。科学家通过它来测量人体的氧气摄入量、二氧化碳排放量以及由此产生的热量，从而估计出人体消耗的卡路里。

量热计是一个铜盒，高6英尺，宽4英尺，深7英尺（1.8*1.4*2.1米），包裹在木材和锌中，以确保恒温。受试人员将在这个盒子里呆12天，完成各种指定的任务，从躺着休息到锻炼，这些研究实验成为了理解代谢率的基础。

难道这就是我们计算卡路里的方法，事实并非如此。

在花费几十年时间定义卡路里的过程中——出现了焦耳

阿特沃特并没有定义出“卡路里”这个词，它是由巴黎梅蒂埃斯学院的化学教授尼古拉斯·克莱门特发明的。

1819年，克莱门特教授了一门工业化学课程，他需要一个热量单位来讨论蒸汽机如何将水蒸气转化为热量，他将卡路里定义为将1公斤水的温度提高1°C所需的热量——这与阿特沃特的定义不谋而合，克莱门特更精确地说明测量是从0°C到1°C。

科学家接受了克莱门特的定义，从此，卡路里进入了法国物理教科书。

在这些教科书中，其中两篇由法国物理学家Adolphe Ganot翻译成多种语言，欧洲和美国的大学在20世纪初使用了这些教科书，从此，克莱门特的卡路里变成了英语。

与此同时，卡路里的另一个定义正在形成，1852年，法国化学家Pierre Favre和法国物理学家Johann Silbermann将卡路里定义为：将一克水的温度提高1摄氏度所需的能量——差了1000倍！

德国科学家采用了他们的定义。

到了1870年代，热量定义的竞争关系日趋激烈，法国化学家Marcellin Berthelot做对此出了区分：他把卡路里(用小写字母c)定义为克热卡，把卡路里（大写）定义为千克热卡。

1894年，美国医生约瑟夫·雷蒙德(Joseph Raymond)在他的经典教科书《人体生理学手册》(A Manual of Human Physiology)中提议称大卡为“千卡”，直到几年后这个词才流行起来。

同时，英国科学促进协会正在研究一个完全不同的能量单位：焦耳。

1882年，威廉·西门子(William Siemens)在担任BAAS主席的就职演说中提出了焦耳。

西门子对卡路里感到困惑：“一个完全随意的单位显然会带来不便，引入一个基于电磁系统的单位更为准确。”他将焦耳定义为当一安培的电流通过一欧姆的电阻一秒钟时，消散的热量。

图片：美国农业部国家农业图书馆特别收藏，威尔伯·阿特沃特利用一个较小的热量计来估计香蕉等不同食物的卡路里计数。

因此，当阿特沃特对食物进行营养研究时，他选择了热能单位。他在加诺翻译的教科书中读到克莱门特的卡路里。

在德国的博士后培训期间，他会遇到法夫雷和西尔伯曼的卡路里。作为一个科学界的成员，他可能会听说拟议中的焦耳，西门子的定义直到1889年在第二届国际电气大会上才被采纳。

乔治亚大学的James L.Hargrove调查了卡路里的历史，并就阿特沃特为什么选择卡路里提出了一些建议：首先，它是美国字典中列出的唯一能量单位。更重要的是，哈格罗夫认为：热量是一个可管理的尺度，围绕这个尺度，阿特沃特建议一个人的每日摄入量为2000卡路里，如果每天摄入200万卡路里的话，似乎会很麻烦。

美国营养学家紧随阿特沃特之后，在阿特沃特为美国农业部准备的表格中，列出了500多种食物的卡路里计数。阿特沃特的女儿海伦协助他的实验室工作了十年，1907年父亲去世后，她去了美国农业部家政局工作。

大卡路里和卡路里在1948年被正式淘汰，当时国际科学界采用焦耳作为标准能量单位。正如西门子所指出的那样，仅仅用大写和数量级来区分两种不同的定义太令人不解了。今天，美国的营养标签继续报道卡路里，而其他国家给出的单位为卡尔斯和焦耳。

热量计引发了蒸汽发生器的设计

不光是营养学家对卡路里感兴趣，上世纪初，电力需求激增，许多国家的市政当局正在建造新的发电厂。

随着汽轮机的发明，发电机变得更加复杂，锅炉在更高的温度和压力下运行。工程师们迫切需要获取蒸汽设备的数据，但他们缺乏水和蒸汽特性的国际标准化度量。

于是他们转向了回到克莱门特的量热仪：利用它完成测量蒸汽的工作。

从1921年开始，持续了将近20年，Nathan Osborne、Harold Stimson和Defoe Ginnings在美国国家标准局（现为国家标准和技术研究所）就这个确切的问题展开工作。研究小组开发了优雅量热仪，研究水在100°C时的热容量和汽化热。

图片：国家标准技术研究院数字收藏，1937年的蒸汽量热计是美国国家标准局发明的，用于测量蒸汽动力设备的输出。

该仪器已经被切开，以显示内部结构，工作原理类似于阿特沃特使用的炸弹热量计。球形内壳装有水样，能量由电流增加，科学家观察状态的变化。进入20世纪60年代，他们的实验数据指导了蒸汽动力设备的设计和评估。

正如Osborne在1925年的报告“流体热量测量”中所指出：电加热器、电阻温度计和热电偶的采用和改进，使热量计成为了热研究中可靠、准确的测量手段。

因此，无论是计算食物中的能量还是水的热容量，热量计对化学家、物理学家和工程师来说都是两个多世纪以来的宝贵工具。进入新的一年，当我们中的许多人对卡路里重新产生兴趣时，似乎更应该向计算卡路里的工具致敬。

这篇文章的摘要版本发表在2021年1月的印刷版上，名为“计数卡路里。”

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https://spectrum.ieee.org/tech-history/dawn-of-electronics/how-counting-calories-became-a-science

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原标题：《灵魂之问，食物热量单位为什么是卡路里？》

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