Калория и калориметр

Раньше любой школьник знал, что такое калория: количество тепла, которое необходимо, чтобы нагреть один грамм воды на один градус. Термин «калория» (от латинского calor - тепло) ввел в научный оборот французский химик Николя Клеман-Дезорм (1779–1842). Его определение калории как единицы измерения тепла было впервые опубликовано в 1824 году в журнале «Le Producteur», а во французских словарях оно появилось в 1842 году. Однако задолго до появления этого термина были сконструированы первые калориметры - приборы для измерения теплоты. Первый калориметр изобрел английский химик Джозеф Блэк и в 1759–1763 годах с его помощью определил теплоемкости разных веществ, скрытую теплоту плавления льда и испарения воды.

Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские ученые Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) и Пьер Симон Лаплас (1749–1827). В 1780 году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию. Это понятие встречается еще в XVIII веке в трудах шведского физика Иоганна Карла Вильке (1732–1796), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.

Устройство, которое впоследствии начали называть калориметром, Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. Тогда еще не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения. Первый калориметр был ледяным. Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лед не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лед. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.

Простенький, казалось бы, прибор позволил Лавуазье и Лапласу измерить теплоту многих химических реакций: сгорания угля, водорода, фосфора, черного пороха. Этими работами они заложили основы термохимии и сформулировали ее основной принцип: «Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя свое состояние, происходят в порядке обратном, когда система вновь возвращается в свое первоначальное состояние». Иными словами, чтобы разложить воду на водород и кислород, надо затратить столько же энергии, сколько выделяется при реакции водорода с кислородом с образованием воды.

В том же 1780 году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от ее дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии. Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счет которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.

В XIX веке благодаря стараниям знаменитого французского химика Марселена Бертло (1827–1907), который опубликовал более 200 работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы - водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба. Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нем можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях - горении и взрыве. Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.

Видимо, в похожем калориметре в тридцатых годах XIX века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик Юстус фон Либих (1803–1873), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища - это топливо для организма, как дрова для печки. Причем Либих назвал эти дрова: белки, жиры и углеводы. Он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. На основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.

Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик Уилбур Олин Этуотер (1844–1907). Он первым додумался измерять энергоемкость компонентов пищи и придумал схему подсчета калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (1869–1871) Этуотер провел в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.

Сегодня его называют отцом диетологии. «Большую часть сведений о пище и ее компонентах, которыми мы пользуемся сегодня, мы почерпнули из экспериментов Этуотера», - говорит Эрика Тэйлор, профессор химии Веслеанского колледжа в Коннектикуте, где в свое время работал У.О. Этуотер. Действительно, столь хорошо знакомые нам значения калорийности углеводов (4 ккал/г), белков (4 ккал/г) и жиров (9 ккал/г) впервые экспериментально получил Этуотер. Но и теперь, спустя сто двадцать лет, диетологи используют эти цифры при подсчете энергетической ценности продуктов питания. Система Этуотера по сей день лежит в основе маркировки продуктов. И в этом смысле, как верно подметил кто-то из журналистов, Уилбур Этуотер - самый цитируемый ученый в мире.