Kalorienlehre

Kalorie (lat. calor „Wärme“; Einheitenzeichen cal) ist eine alte Maßeinheit der Energie, insbesondere der Wärmemenge Q, mit mehreren leicht unterschiedlichen Definitionen. Inzwischen wurde sie von der internationalen SI-Einheit Joule abgelöst.

Oft werden insbesondere Energiewerte von Nahrungsmitteln nach wie vor zusätzlich zur Angabe in Joule in Kilokalorien angegeben; die EU-Richtlinie zur Nährwertkennzeichnung schreibt sogar eine Angabe sowohl in kJ als auch kcal vor.^[1] 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.^[2]

Ab 1. Januar 2010 ist die Angabe von Kalorien (wie der meisten anderen Nicht-SI-Einheiten) in der EU gar nicht mehr zulässig. Diese Frist war ursprünglich auf Anfang 1990 festgelegt und zunächst auf Anfang 2000 verlängert worden;^[3] die letzte Verlängerung ist nur noch mit Handelshemmnissen beim Export in Drittländer begründet worden.^[4] Aus dem gleichen Grund wird derzeit (2008) über eine völlige Aufhebung der Frist diskutiert.^[5] Z.B. Mc Donalds verwendet in Deutschland noch immer ausschließlich die veraltete Maßeinheit auf Produktverpackungen.

Von Anfang 1978 (dem Ende der Übergangsfrist der Vorläuferrichtlinie^[6]) bis Ende September 1981 (dem Inkrafttreten der aktuellen Richtlinie^[2]) war die Verwendung der Kalorie in der EU bereits einmal unzulässig.

Ob sich das Wort Kalorie auf 1 cal oder 1 kcal bezieht, ist nicht eindeutig. Beide Verwendungen waren und sind gebräuchlich;^[7] zur Unterscheidung spricht man von Grammkalorie und Kilogrammkalorie oder auch kleiner und großer Kalorie. Eindeutig ist in der Praxis auch die Bezeichnung Kilokalorie für 1 000 Grammkalorien, analog zu den Vorsätzen für SI-Einheiten.

Dass beide Varianten eine größere Verbreitung gefunden haben, liegt an den wechselnden Basiseinheiten für die Masse: Kilogramm in MKS-Systemen und Gramm in CGS-Systemen. Entsprechend waren Kilogrammkalorie bzw. Grammkalorie die natürlichen Basiseinheiten für kalorimetrische Zwecke, soweit die Erwärmung einer bestimmten Menge eines bestimmten Stoffs als Maßstab herangezogen worden ist und nicht die dafür notwendige Arbeit bzw. Energie, wie heute üblich.

Definitionen

Im Prinzip beziehen sich alle Definitionen der Kalorie auf die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm 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).^{[8][9][10][11][12][13][14]} 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 auf exakt 42 Millionen erg, entsprechend 4,2 J pro Grammkalorie, im Gespräch.^[7]

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.

I.T.-Kalorie cal_IT:

 »I.T.« bzw. »IT« steht für »International (Steam) Table« (»internationale (Wasserdampf-)Tabelle«). Die I.T.-Kalorie 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.^[15]

Die I.T.-Kalorie 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^[16] 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^[17]).

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.^[18]

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;^[19] 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.^[18]

Umrechnung

Energieeinheiten und Umrechnungsfaktoren

von/nach	Joule	Kilowattstunde	Elektronenvolt	Kilopondmeter	Kalorie
1 J = 1 kg·m²/s² =	1	2,778 · 10−7	6,242 · 1018	0,102	0,239
1 kW·h =	3,6 · 106	1	2,25 · 1025	3,667 · 105	8,60 · 105
1 eV =	1,602 · 10−19	4,45 · 10−26	1	1,63 · 10−20	3,83 · 10−20
1 kp·m =	9,80665	2,72 · 10−6	6,13 · 1019	1	2,34
1 calIT =	4,1868	1,163 · 10−6	2,611 · 1019	0,427	1

Einzelnachweise

1. ↑ Richtlinie 90/496/EWG des Rates vom 24. September 1990 über die Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln
2. ↑ ^{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
3. ↑ 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
4. ↑ 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
5. ↑ Vorschlag COM (2007) 510 für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur Änderung der Richtlinie 80/181/EWG des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
6. ↑ Richtlinie 71/354/EWG des Rates vom 18. Oktober 1971 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Einheiten im Messwesen
7. ↑ ^{a b} History of the Calorie in Nutrition, American Society for Nutrition
8. ↑ Mittlere, molare Wärmekapazität, ChemgaPedia
9. ↑ Thermodynamic Anomalies of Water, London South Bank University
10. ↑ The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use, W. Wagner, A. Pruß
11. ↑ Stoffdaten Wasser, Wikibooks: Tabellensammlung Chemie
12. ↑ Eigenschaften von Wasser in Tabellen, www.wissenschaft-technik-ethik.de
13. ↑ Water, NIST Chemistry WebBook
14. ↑ Kalorische Zustandsgleichung und Wärmekapazität, Peter Junglas
15. ↑ Calorie, sizes.com
16. ↑ Realization of SI units, Kaye and Laby Online
17. ↑ Electrical Engineers Handbook Electric Power, Harold Pender, William A. Del Mar, 1949
18. ↑ ^{a b} The Adoption of Joules as Units of Energy, Food and Agriculture Organization of the United Nations
19. ↑ 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