能量, 热与卡路里

最近发现在家吃饭很费时间和精力, 每顿都要思考吃什么还要准备食材. 所以想研究一份以周为单位的简食食谱, 食谱尽可能的以不需要烹饪的食材为主, 另外兼顾营养平衡. 这样便能最大程度上降低在吃这方面的精神内涵.

不过缺少烹饪的食物, 缺点就是不够美味了, 但这其实也是我的目的, 我一直在不断努力的降低自己的物质欲望, 努力了很久发现一直戒不掉的的就是对美食的欲望. 所以我想借此机会再次尝试戒断这一欲望.

为了营养平衡这个目的, 我就找了些人体营养相关的课程开始学习, 学这类课程不可避免的就会涉及到食物里的热量啊卡路里啊之类的概念, 我就不禁产生了一些疑惑, 虽然知道卡路里是个热量单位, 但是食物包含热量这是什么概念? 热的本质是什么?

于是经过一番对 ChatGPT 的请教, 总算知道了答案.

首先从能量说起, 从物理和化学的角度讲, 能量就是能够令外界产生变化的能力, 能将可以有几个分类比如动能, 热能, 势能, 化学能. 这些分类在中学课本甚至大学课本也是这么分的, 我估计这种分类是为了便于人理解的, 实际上我认为热能和化学能也是一种势能, 他们都代表了一种 “势”, 一种只要条件满足就能发生的势态. 但今天我们不讨论这个, 我们只讨论热能.

中文里面热和热能用的是同一个字 “热”, 英文里热是 heat, 热能是 thermal energy, 从英文概念中我们能够更容易地体会到二者的差异. Thermal 其实是温度的概念, 所以 thermal energy 就是温度差异所酝酿的势能, 而 heat, 热则是这个势能释放所引发的结果. 就像物体在高处的势在下落时变成动一样, thermal energy 的势在释放时就变成了 heat.

温度这个东西本质上计量的是粒子运动的速度, 粒子运动加快温度就升高, 热能(thermal energy)的释放本质上就是粒子运动速度的传导, 就像水面波纹的传导一样, 当热传导到人的皮肤, 皮肤细胞中的粒子也会跟着快速运动, 使得大脑皮层产生灼热感.

而化学能, 我们知道它也能转化成热能, 因为化学物质在特定条件下化学键断裂重组也会引发粒子运动速度改变, 这便产生了温度差, 然后进一步的粒子运动的传导体现了热能释放.

我们所说的的食物中包含多少热量, 实际上就是说这些食物在经过化学反应后能够产生多少热, 对热的测量属于对热能测量的下级, 因为热能测的是温度或者说粒子运动速度, 对热的测量则实际上测的是粒子运动传导的能力, 测的是粒子运动能够掀起多大的风浪.

比如焦耳就是一个用于测量能量传递国际单位, 但是其含义在不同学科领域也各不相同, 为避免引起歧义困惑. 在生理学领域, 卡路里是一个更为常用的测量单位, 一卡路里的定义就是将 1g 的水提升 1 摄氏度所需要的热量.

这个单位并不能直接体现食物中所含有的物质的多少, 但是科学家们通过测量燃烧一定质量的各种物质看他们能让水升温多少度, 也就测出了这些物质能够释放多少卡路里的热量. 最终实验结论, 1g 的糖, 蛋白质和脂肪的分别能够释放 4k, 4k 和 9k 卡路里的热量.

这听起来好像很吓人, 吃 1g 糖就能让我体内 1 公斤的水分升 4 度? 那我吃一顿饭得含多少糖, 岂不是应该直接把我蒸化了? 理论上好像是的, 但是别忘了, 我们每顿饭吃的食物并不是完全燃烧的, 吃的食物基本都以糖蛋白质和脂肪的形式存于体内, 人体精细复杂的机制使得这些能量源被很好地控制住了.

中学学过人体三大功能物质蛋白质糖和脂肪, 人体通过食物补充的能量本质上就是这三种, 这些能量如果一直得不到消耗就会一直储存在体内, 而人体又有个机制是将多余蛋白质转化为糖, 将多余的糖转化成脂肪, 而脂肪则是人身上肥肉的主要构成成分. 所以减肥的人们吃东西那么关注热量, 原来原因在这里.