Kalorie

Kalorie (lat. calor „Wärme“; Einheitenzeichen cal) ist eine veraltete Maßeinheit der Energie, insbesondere der Wärmemenge Q, mit mehreren leicht unterschiedlichen Definitionen. Bereits 1948 schaffte die 9. Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Paris die Kalorie als Einheit der Wärmemenge zugunsten der Einheit Joule ab. In Deutschland ist die Verwendung von Joule als internationale SI-Einheit der Energie seit 1969 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 nur in Kilokalorien (kcal) erfolgen.

Verwendung

Das Wort „Kalorie“ kann sich auf eine Kalorie (1 cal) oder eine Kilokalorie (1 kcal) beziehen und ist entsprechend unpräzise. Beide Verwendungen waren und sind gebräuchlich. 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 Kelvin beziehen. Eindeutig ist in der Praxis jedoch die Bezeichnung „Kilokalorie“ für 1000 Grammkalorien, analog zu den Vorsätzen für SI-Einheiten.

Verwendung in der Physik

In der Physik hat man nach der Einführung des CGS-Systems die Kalorie in der Regel als Grammkalorie verstanden. 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.^[1] 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.^[2][3]

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

Oft wird insbesondere der Energiegehalt oder Brennwert von Lebensmitteln nach wie vor zusätzlich zur Angabe in Kilojoule in Kilokalorien angegeben; die EU-Richtlinie zur Nährwertkennzeichnung schrieb seit 1990 eine Angabe sowohl in kJ als auch in kcal vor.^[4] 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.^[5]

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;^[6] die letzte Verlängerung bis Ende 2009 sowie die komplette Abschaffung der Frist wird mit Handelshemmnissen beim Export in Drittländer begründet.^[7][8] Von Anfang 1978 (dem Ende der Übergangsfrist der Vorläuferrichtlinie^[9]) bis Ende September 1981 (dem Inkrafttreten der vorhergehenden Richtlinie^[5]) war die Verwendung der Kalorie in der EU unzulässig.

Umgangssprachlich werden oft Nährwertangaben in Kilokalorien einfach als „Kalorien“ bezeichnet. In den USA ist bei Nährwertangaben die Bezeichnung calorie für Kilokalorien auch offiziell zulässig.^[10]

Definitionen

Im Prinzip beziehen sich alle Definitionen der Kalorie auf die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm bzw. 1 Kilogramm Wasser um 1 Kelvin 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·K), bei 0 °C und 100 °C sind es jeweils um die 4,22 kJ/(kg·K).^{[11][12][13][14][15][16][17]} 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 Kilogrammkalorie; später war eine Normung der Grammkalorie auf exakt 42 Millionen erg, entsprechend 4,2 J, im Gespräch.^[10]

Der internationale Standard ISO 80000-5 listet wie sein Vorgänger ISO 31-4 noch 3 Definitionen der (Gramm-)Kalorie im Anhang B, missbilligt aber deren Gebrauch:

15-°C-Kalorie cal₁₅:

Die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 g luftfreies Wasser bei einem konstanten Druck von 101,325 kPa (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 ±0,5 mJ.

Internationale Tafelkalorie cal_IT:

 »IT« steht für »International (Steam) Table« (»internationale (Wasserdampf-)Tabelle«). Die internationale Tafelkalorie wird mit exakt 1 cal_IT = 4,1868 J definiert.

Dieser Wert war 1956 auf der 5. internationalen Konferenz über Eigenschaften von Wasserdampf in London festgelegt worden. 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.^[18]

Die internationale Tafelkalorie wird oft mit der internationalen Kalorie cal_int verwechselt, die 1929 auf einer Vorgängerkonferenz (unter dem Namen »International Steam Table Conference«) als ¹⁄₈₆₀ einer internationalen Wattstunde definiert worden war. 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 haben. Bei der Reproduktion der Einheiten mit neueren technischen Mitteln sind zudem verschiedene nationale »internationale« Einheiten entstanden. 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^[19] ergibt sich 1 cal_int ≈ 4,18684 J; die häufig genannten 4,18674 J beziehen sich auf die US-amerikanischen internationalen Einheiten (1,000495 Ω und 1,000330 V^[20]).

Thermochemische Kalorie cal_th:

Die thermochemische Kalorie wird mit exakt 1 cal_th = 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.^[21]

Auf Basis der thermochemische Kalorie wurde auch das TNT-Äquivalent definiert, mit der die freigesetzte Energie von Kernwaffen angegeben wurde. 1 Kilogramm TNT = 1000 kcal_th = 4184 kJ

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;^[22] ungefähr 4,182 J); auch andere Bezugspunkte im Bereich typischer Labortemperaturen waren üblich.

Die mittlere Kalorie bezieht sich auf die mittlere spezifische Wärmekapazität von Wasser zwischen 0 °C und 100 °C (ungefähr 4,190 J). Die Internationale Union für Ernährungswissenschaften (IUNS) hat einen Wert von exakt 4,182 J beschlossen.^[21]

Umrechnung

Energieeinheiten und Umrechnungsfaktoren

	Joule, Newtonmeter oder Wattsekunde	Kilowattstunde	Elektronenvolt	Kilopondmeter	Kalorie	Erg
1 kg·m²/s²	00 1	00 2,778 · 10−7	00 6,242 · 1018	00 0,102	00 0,239	0 10 · 106
1 kW·h	00 3,6 · 106	00 1	00 2,25 · 1025	00 3,667 · 105	00 8,60 · 105	0 36 · 1012
1 eV	00 1,602 · 10−19	00 4,45 · 10−26	00 1	00 1,63 · 10−20	00 3,83 · 10−20	00 1,602 · 10−12
1 kp·m	00 9,80665	00 2,72 · 10−6	00 6,13 · 1019	00 1	00 2,34	0 98,0665 · 106
1 calIT	00 4,1868	00 1,163 · 10−6	00 2,611 · 1019	00 0,427	00 1	0 41,868 · 106
1 g·cm²/s²	00 0,1 · 10−6	0 27,78 · 10−15	0 6,242 · 1011	0 10,2 · 10-9	0 23,9 · 10-9	00 1

Leistungseinheiten und Umrechnungsfaktoren

von / nach	Watt	Kilopondmeter pro Sekunde	Pferdestärke	Kilokalorien pro Stunde
1 W (= 1 kg·m²/s³) =	1	0,102	0,00136	0,860
1 kp·m/s =	9,80665	1	0,013	8,4322
1 PS =	735,49875	75	1	632,415
1 kcal/h =	1,163	0,1186	0,00158	1

Einzelnachweise

1. ↑ 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
2. ↑ 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
3. ↑ Twenty-Third Report – Liverpool, 1896, in: Reports of the Electrical Standards Committee of the British Association, Cambridge 1913, Seite 539
4. ↑ Richtlinie 90/496/EWG des Rates vom 24. September 1990 über die Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln
5. ↑ ^{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
6. ↑ 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
7. ↑ Richtlinie 1999/103/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
8. ↑ 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
9. ↑ Richtlinie 71/354/EWG des Rates vom 18. Oktober 1971 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
10. ↑ ^{a b} History of the Calorie in Nutrition, American Society for Nutrition
11. ↑ Mittlere, molare Wärmekapazität, ChemgaPedia
12. ↑ Thermodynamic Anomalies of Water, London South Bank University
13. ↑ The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use, W. Wagner, A. Pruß
14. ↑ Stoffdaten Wasser, Wikibooks: Tabellensammlung Chemie
15. ↑ Eigenschaften von Wasser in Tabellen, www.wissenschaft-technik-ethik.de
16. ↑ Water, NIST Chemistry WebBook
17. ↑ Kalorische Zustandsgleichung und Wärmekapazität, Peter Junglas
18. ↑ Calorie, sizes.com
19. ↑ Realization of SI units, Kaye and Laby Online
20. ↑ Electrical Engineers Handbook Electric Power, Harold Pender, William A. Del Mar, 1949
21. ↑ ^{a b} The Adoption of Joules as Units of Energy, Food and Agriculture Organization of the United Nations
22. ↑ 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