Zoezi la thermodynamiki lililofanyiwa kazi

Kalori za chakula na nguvu ya kimetaboliki

Zoezi 5 · Somo 2 — Historia ya Thermodynamiki na Calorimetry

  • kalori
  • kilokalori
  • Kalori ya chakula
  • kilinganishi cha kimekanika
  • nguvu ya kimetaboliki
  • vipimo

Swali

Lebo ya lishe inaonyesha kuwa mtu mzima hutumia wastani wa karibu 2000 kcal2000\,\text{kcal} kwa siku. Kilokalori ni kipimo kisicho cha SI ambacho bado hutumika katika lishe; ubadilishaji wake ni 1 kcal=4,18×103 J1\,\text{kcal}=4{,}18\times10^3\,\text{J}.

  1. Badilisha kiasi hiki cha nishati ya kila siku kuwa jouli.
  2. Pata nguvu wastani ya kimetaboliki ya mtu huyu kwa wati, ukidhani nishati inatumika sawasawa katika saa 24.
  3. Baa ya nishati imeandikwa “210 kcal210\,\text{kcal}”. Ikiwa nishati hiyo ingebadilishwa yote kuwa joto, ni misa gani ya maji kwenye 20 ∘C20\,{}^\circ\text{C} ingeweza kufikishwa kwenye kiwango cha kuchemka (100 ∘C100\,{}^\circ\text{C})? Tumia cmaji=4,18×103 J ⁣⋅ ⁣kg−1 ⁣⋅ ⁣K−1c_{\text{maji}}=4{,}18\times10^3\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1}.
  4. Kwa maoni yako, nishati hii hutumiwa kwa maumbo gani hasa katika mwili wa binadamu? (jibu la kimaelezo)

Kidokezo
Kwa swali la 2, tumia P=E/Δt\mathcal P=E/\Delta t. Kwa swali la 3, kwanza badilisha nishati ya lebo kuwa jouli, kisha tenga mm katika Q=mcΔTQ=mc\Delta T.

Jibu la kina

Suluhisho
1. Katika vipimo vya SI,

E=2000×4,18×103=8,36×106 J.E=2000\times4{,}18\times10^3=8{,}36\times10^6\,\text{J}.

2.

P=8,36×1068,64×104≈97 W.\mathcal P=\frac{8{,}36\times10^6}{8{,}64\times10^4}\approx97\,\text{W}.

Kwa siku nzima, binadamu hutumia kwa wastani karibu nguvu sawa na balbu ya kawaida ya nyuzi. Kiwango hiki kinachoshangaza kinaonyesha umuhimu wa kubadilisha kalori za chakula kuwa vipimo vya kawaida vya fizikia.

3. Nishati ya baa ni

Q=210×4,18×103≈8,78×105 J.Q=210\times4{,}18\times10^3\approx8{,}78\times10^5\,\text{J}.

Kwa ΔT=80 K\Delta T=80\,\text{K},

m=QcΔT=8,78×1054,18×103×80≈2,63 kg.m=\frac{Q}{c\Delta T} =\frac{8{,}78\times10^5}{4{,}18\times10^3\times80} \approx2{,}63\,\text{kg}.

Kwa hiyo, kwa kiwango cha ukubwa, baa moja ina nishati ya kuleta karibu 2,5 kg2{,}5\,\text{kg} za maji ya bomba kwenye kiwango cha kuchemka.

4. Mwili hauondoi nishati inaposemwa “unaitumia”; hubadilisha nishati ya kemikali ya virutubisho. Sehemu hufanya kazi ya kimekanika ya misuli, kuendesha viungo, kudumisha tofauti za umeme za seli, kusafirisha molekuli na kufanya usanisi wa kemikali wa kurekebisha tishu. Sehemu nyingine inaweza kuhifadhiwa kikemikali katika glikojeni na mafuta. Hatimaye sehemu kubwa ya nishati iliyotumiwa hutawanywa kama joto, ambalo husaidia kudumisha halijoto ya mwili kabla ya kuhamishwa mazingira. Sehemu ndogo pia hutoka kama nishati ya kemikali iliyobaki katika taka.