Kalorie

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Physikalische Einheit
Einheitenname Kalorie
Einheitenzeichen
Physikalische Größen Energie, Arbeit, innere Energie, Wärme
Dimension
In SI-Einheiten

Kalorie (Einheitenzeichen cal) ist eine veraltete Maßeinheit der Energie, insbesondere der Wärmemenge. Eine Kalorie ist nach einer gängigen Definition die Wärmemenge, die erforderlich ist, um (bei bestimmten Bedingungen) 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen.

Im Jahr 1948 ersetzte die 9. Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Paris die Kalorie als physikalische Einheit der Wärmemenge durch die Einheit Joule.[1] Aufgrund unterschiedlicher Definitionen der Kalorie existieren leicht unterschiedliche Umrechnungswerte. In der DIN-Norm zu Umrechnungen von Nicht-SI-Einheiten[2] sind fünf verschiedene Werte angegeben. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt nennt zwei Definitionen.[3]

In Deutschland ist die Verwendung des Joule als internationale SI-Einheit der Energie seit 1969 für amtliche Angaben und den Geschäftsverkehr gesetzlich vorgeschrieben. Im Warenverkehr der EU ist nach der jüngsten Richtlinie von 2010 neben einer Angabe in Joule als Einheit der Energie eine zusätzliche Angabe in der Einheit Kalorie zulässig. Bei Lebensmitteln darf diese zusätzliche Angabe gemäß Lebensmittel-Informationsverordnung (LMIV) nur mit der Einheit Kilokalorie (kcal) und in Klammern hinter der SI-Einheit Kilojoule (kJ) erfolgen. Zum Beispiel: Brennwert 210 kJ/100 g (50 kcal/100 g).

Wortherkunft

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Das Wort stammt von französisch calorie, wovon sich auch das Einheitszeichen ableitet. Abgeleitet ist es von lateinisch calor ‚Wärme‘.[4]

Definitionen

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Im Prinzip beziehen sich alle Definitionen der Kalorie auf die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine bestimmte Masse Wasser, 1 Gramm bzw. 1 Kilogramm, um 1 Kelvin bzw. 1 °C zu erwärmen, also die spezifische Wärmekapazität von Wasser. Dieser Wert ist allerdings deutlich temperaturabhängig; daneben hängt er auch vom Umgebungsdruck sowie der Art des verwendeten Wassers (chemische Reinheit, Isotopenzusammensetzung) ab.

Flüssiges Wasser hat ein Minimum der spezifischen Wärmekapazität bei etwa 30–50 °C von knapp 4,18 kJ·kg−1·K−1, bei 0 °C und 100 °C sind es jeweils um die 4,22 kJ·kg−1·K−1.[5] Entsprechend existieren verschiedene Definitionen der Kalorie. Einige davon definieren nur die Messvorschrift, mit der ein Wert mit gewisser Messgenauigkeit bestimmt werden kann; andere definieren einen exakten Umrechnungsfaktor zu anderen Einheiten.

Anfangs (Mitte des 19. Jahrhunderts) war ein Bezug auf die Erwärmung von Wasser von 0 °C auf 1 °C gebräuchlich, also ein recht hoher Wert von etwa 4,22 kJ pro Kilokalorie („Kilogrammkalorie“); später war eine Normung der (Gramm-)Kalorie auf exakt 42 Millionen erg, entsprechend 4,2 J, im Gespräch.[6]

Der internationale Standard ISO 80000-5 listet die früheren Umrechnungen nicht mehr auf.

15-°C-Kalorie cal15
Die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 g luftfreies Wasser bei einem konstanten Druck von 1013,25 hPa (dem Druck der Standardatmosphäre auf Meereshöhe) von 14,5 °C auf 15,5 °C zu erwärmen.
Ein exakter Wert hierfür ist nicht vorgesehen; als Näherungswert wird 1 cal15 ≈ 4,1855 J angegeben, mit einer Unsicherheit von ±0,3 mJ.[7]
Internationale-Tafel-Kalorie calIT
„IT“ steht für „International (Steam) Table“ („internationale (Wasserdampf-)Tabelle“). Die Internationale-Tafel-Kalorie wird mit exakt 1 calIT = 4,1868 J definiert.
Dieser Wert wurde 1956 auf der 5. internationalen Konferenz über Eigenschaften von Wasserdampf in London festgelegt. Er wurde unter anderem deshalb gewählt, weil die Ziffernfolge ohne Rest durch 18 teilbar ist und somit Umrechnungen in Wärmemaße, die wie die Btu auf °F basieren, erleichtert waren.[8] Auch die Umrechnung 1 kcal/h = 1,163 W hat dadurch eine endliche Zahl von Dezimalstellen.
Die Internationale-Tafel-Kalorie wird oft mit der internationalen Kalorie calint verwechselt, die 1929 auf einer Vorgängerkonferenz (unter dem Namen „International Steam Table Conference“) als 1/860 einer internationalen Wattstunde definiert worden war.[9] Einheiten mit dem Vorsatz „international“ beziehen sich auf alte Definitionen von Ohm und Ampere bzw. Volt, die praxisnäher, aber unabhängig von Meter und Kilogramm waren und sich deshalb mit zunehmender Messgenauigkeit von den entsprechenden „absoluten“ Einheiten unterschieden. Mit den 1948 von der 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht festgestellten mittleren Werten für das internationale Ohm und Volt von 1,00049 Ω bzw. 1,00034 V[10][11] ergibt sich 1 calint ≈ 4,18684 J; die häufig genannten 4,18674 J beziehen sich auf die US-amerikanische Umrechnung der internationalen Einheiten (1,000495 Ω und 1,000330 V[12]).
Thermochemische Kalorie calth
Die thermochemische Kalorie (auch definierte oder Rossini-Kalorie genannt) wird mit exakt 1 calth = 4,184 J definiert. Dieser Wert basiert auf dem früher in thermochemischen Arbeiten in den USA gebräuchlichen Wert von 4,1833 internationalen Joule, umgerechnet mit den US-amerikanischen internationalen Einheiten, und ist so ursprünglich vom National Bureau of Standards definiert worden.[7]
Auf Basis der thermochemischen Kalorie wurde auch das TNT-Äquivalent definiert, mit der die freigesetzte Energie von Kernwaffen angegeben wurde. 1 Kilogramm TNT = 1000 kcalth = 4184 kJ
Mittlere Kalorie cal
Die mittlere Kalorie entspricht dem 100. Teil der Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 Gramm Wasser bei einem Atmosphärendruck von 1013 hPa von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen. Der daraus abgeleitete Wert von 1 cal = 4,1897 J (für 1 kg Wasser 1 kcal = 4,1897 kJ) definiert daher die mittlere spezifische Wärmekapazität von Wasser zu 4,1897 kJ/(kg·K) über den Temperaturbereich, in dem es flüssig ist.[13]

Weitere gebräuchliche Definitionen beziehen sich auf die spezifische Wärmekapazität von Wasser bei 4 °C (Maximum der Dichte; ungefähr 4,204 J) oder 20 °C (Bezugstemperatur für flüssige Lebensmittel in der EU;[14] ungefähr 4,182 J); auch andere Bezugspunkte im Bereich typischer Labortemperaturen waren üblich.

Die Internationale Vereinigung der Ernährungswissenschaften (IUNS) hat einen Wert von exakt 4,184 J beschlossen.[7] Die PTB hingegen gibt calIT als Einheit für den Brennwert von Nahrungsmitteln an.[3]

Verwendung

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Das Wort „Kalorie“ kann sich auf eine Kalorie (1 cal) oder verkürzend, streng genommen falsch, auf eine Kilokalorie (1 kcal) beziehen. In der Umgangssprache und in den Lebenswissenschaften kommen beide Verwendungen vor. Zur Unterscheidung spricht man manchmal auch von „Grammkalorie“ und „Kilogrammkalorie“ oder auch „kleiner Kalorie“ und „großer Kalorie“, die sich jeweils auf die Erwärmung von einem Gramm beziehungsweise einem Kilogramm Wasser um ein Grad Celsius beziehen. Eindeutig ist in der Praxis jedoch die Bezeichnung „Kilokalorie“ für 1000 Grammkalorien, analog zu den Vorsätzen für SI-Einheiten.

Früher wurde die Leistung von Öfen oder Heizungsanlagen nicht in Watt, sondern in kcal/h angegeben (1000 kcal/h = 1,163 kW = 1163 W und umgekehrt 1000 W = 860 kcal/h).

Verwendung in der Physik

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In der Physik wurde die Kalorie nach der Einführung des CGS-Systems eindeutig als Grammkalorie festgelegt. Obwohl die Wärmemenge durch die CGS-Einheit der Energie, Erg, und auch das Joule aus dem parallelen praxisnahen elektromagnetischen System (basierend auf Ohm und Volt) ausgedrückt werden konnte, bestand vielfach der Wunsch, eine spezielle Einheit der Wärmemenge zu behalten, die auf der spezifischen Wärmekapazität von Wasser beruht. Wasser hat schon bei der Entscheidung für das CGS-System und gegen ein System mit Meter statt Zentimeter als Basiseinheit der Länge eine entscheidende Rolle gespielt, weil damit seine Dichte in den Basiseinheiten annähernd 1 beträgt.[15] Unklar war um 1900 zunächst die Namensgebung und die genaue Definition für so eine Einheit, insbesondere auch die Frage, ob sie durch einen festen Zahlenwert vom Joule oder Erg abgeleitet oder durch eine eigene Messvorschrift definiert sein sollte.[16][17]

Spätere Normierungen der Kalorie haben stets diese Grammkalorie als Grundlage genommen und einen festen Zahlenwert zur Umrechnung aus anderen Einheiten definiert; daneben haben weiter messungsbasierte Definitionen existiert. Zu einem einheitlichen Gebrauch ist es nicht mehr gekommen, bevor die Kalorie zunehmend durch das Joule ersetzt worden ist.

Verwendung als Nährwertangabe

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Oft wird insbesondere der physiologische Brennwert von Lebensmitteln nach wie vor zusätzlich zur Angabe in Kilojoule in Kilokalorien angegeben; die EU-Richtlinie zur Nährwertkennzeichnung schrieb von 1990 bis Ende 2009 eine Angabe sowohl in kJ als auch in kcal vor.[18] Andererseits müssen in der Wirtschaft und im öffentlichen Gesundheitswesen der EU stets die SI-Einheiten verwendet werden; gegenüber zusätzlich angegebenen anderen Einheiten müssen sie hervorgehoben sein. Insbesondere darf eine Angabe in kcal nicht in größerer Schrift gesetzt sein.[19]

Seit dem 1. Januar 2010 muss der Brennwert eines Lebensmittels in der EU einheitlich in kJ bezogen auf eine bestimmte Menge – z. B. in kJ/100 g – angegeben werden, wobei die zusätzliche Angabe des Brennwerts in kcal unbefristet zulässig ist. Eine Frist zur Abschaffung der zusätzlichen Verwendung der kcal als Einheit im Warenverkehr mit Lebensmitteln war zunächst auf Anfang 1990 festgelegt und dann auf Anfang 2000 verlängert worden;[20] die letzte Verlängerung bis Ende 2009 sowie die komplette Abschaffung der Frist wird mit Handelshemmnissen beim Export in Drittländer begründet.[21][22] Von Anfang 1978 (dem Ende der Übergangsfrist der Vorläuferrichtlinie[23]) bis Ende September 1981 (dem Inkrafttreten der vorhergehenden Richtlinie[19]) war die Verwendung der Kalorie in der EU unzulässig.

Umgangssprachlich werden oft Nährwertangaben in Kilokalorien fälschlich als „Kalorien“ bezeichnet. In den USA ist bei Nährwertangaben die Bezeichnung Calorie (mit groß geschriebenem „C“) für Kilokalorien auch offiziell zulässig.[6]

Der empfohlene Tagesbedarf für erwachsene Menschen variiert abhängig von Geschlecht und Alter. Durchschnittlich liegt er etwa bei 8–13 MJ (2–3 Mcal / 2000–3000 Kilokalorien), wie bereits Carl von Voit in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts errechnet hatte, während aktive Hochleistungssportler auch ohne Weiteres das Doppelte benötigen können.[24]

Die österreichische Schwerarbeitsverordnung definiert schwere körperliche Arbeit u. a. so, wenn bei einer achtstündigen Arbeitszeit von Männern mindestens 8374 Kilojoule (2000 Kilokalorien) und von Frauen mindestens 5862 Kilojoule (1400 Kilokalorien) verbraucht werden (§ 1 Abs. 1 Z 4 Schwerarbeitsverordnung).

Siehe auch

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Wiktionary: Kalorie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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  1. ↑ Resolution 3 of the 9th CGPM. Triple point of water; thermodynamic scale with a single fixed point; unit of quantity of heat (joule). Bureau International des Poids et Mesures, 1948, abgerufen am 15. April 2021 (englisch).
  2. ↑ DIN 1301–3 Einheiten – Teil 3: Umrechnung von Nicht-SI-Einheiten. Februar 2018
  3. ↑ a b Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland Zusammenstellung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Stand: September 2019 (PDF; 1,3 MB)
  4. ↑ Duden. In: duden.de. Abgerufen am 12. August 2016.
  5. ↑ Mittlere, molare Wärmekapazität, ChemgaPedia
  6. ↑ a b History of the Calorie in Nutrition, American Society for Nutrition
  7. ↑ a b c The Adoption of Joules as Units of Energy, Food and Agriculture Organization of the United Nations
  8. ↑ Calorie, sizes.com
  9. ↑ PTR/PTB: 125 Jahre metrologische Forschung, PTB-Mitteilungen 122 (2012), Heft 2, Seite 28
  10. ↑ Realization of SI units, Kaye and Laby Online
  11. ↑ Protokoll der 9. Generalkonferenz für Maß und Gewicht: Comptes rendus des séances de la neuvième Conférence Générale des Poids et Mesures réunie à Paris en 1948. S. 15 (französisch, bipm.org [PDF]).
  12. ↑ Electrical Engineers Handbook Electric Power, Harold Pender, William A. Del Mar, 1949
  13. ↑ Peter Kurzweil: Das Vieweg Einheiten-Lexikon.Vieweg:Braunschweig 1999, S. 67
  14. ↑ Richtlinie 75/106/EWG des Rates vom 19. Dezember 1974 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Abfüllung bestimmter Flüssigkeiten nach Volumen in Fertigpackungen
  15. ↑ First Report of the Committee for the Selection and Nomenclature of Dynamical and Electrical Units, in: Report of the Forty-Third Meeting of the British Association for the Advancement of Science; Held at Bradford in September 1873, London 1874, Seite 222
  16. ↑ Experiments for improving the Construction of Practical Standards for Electrical Measurements, Report of the Committee, Appendix On the Definition of the Unit of Heat, in: Report of the Seventy-Second Meeting of the British Association for the Advancement of Science; Held at Belfast in September 1902, London 1903, Seite 55
  17. ↑ Twenty-Third Report – Liverpool, 1896, in: Reports of the Electrical Standards Committee of the British Association, Cambridge 1913, Seite 539
  18. ↑ Richtlinie 90/496/EWG des Rates vom 24. September 1990 über die Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln
  19. ↑ a b Richtlinie 80/181/EWG des Rates vom 20. Dezember 1979 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen und zur Aufhebung der Richtlinie 71/354/EWG
  20. ↑ Richtlinie 89/617/EWG des Rates vom 27. November 1989 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
  21. ↑ Richtlinie 99/103/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 24. Januar 2000 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
  22. ↑ Richtlinie 2009/3/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 11. März 2009 zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
  23. ↑ Richtlinie 71/354/EWG des Rates vom 18. Oktober 1971 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
  24. ↑ ellviva.de: Kalorienverbrauch und guter Schlaf
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