灵魂之问，食物热量单位为什么是卡路里？

大数据文摘出品

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。

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。

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。

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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