Kalorie

Kalorie (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. Eine Kalorie entspricht ca. 4,1868 Joule (1 kcal = 4,1868 kJ) und ein Joule ca. 0,239 Kalorien. Aufgrund unterschiedlicher Definitionen der Kalorie existieren jedoch leicht unterschiedliche Werte. In Deutschland ist die Verwendung von 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, wie das nachfolgende Beispiel zeigt: Brennwert 210 kJ/100 g (50 kcal/100 g).

Wortherkunft

Das Wort stammt von französisch: Calorie, wovon sich auch das Einheitszeichen ableitet. Abgeleitet ist es aus lateinisch calor (Wärme).^[1]

Definitionen

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 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).^[2] 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.^[3]

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 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 ±0,5 mJ.

Internationale-Tafel-Kalorie cal_IT

„IT“ steht für „International (Steam) Table“ („internationale (Wasserdampf-)Tabelle“). Die Internationale-Tafel-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.^[4]

Die Internationale-Tafel-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^[5] 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^[6]).

Thermochemische Kalorie cal_th

Die thermochemische Kalorie (auch definierte oder Rossini-Kalorie genannt) 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.^[7]

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

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.^[8]

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;^[9] ungefähr 4,182 J); auch andere Bezugspunkte im Bereich typischer Labortemperaturen waren üblich.

Die Internationale Union für Ernährungswissenschaften (IUNS) hat einen Wert von exakt 4,182 J beschlossen.^[7]

Verwendung

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.

Verwendung in der Physik

In der Physik ist 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.^[10] 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.^[11][12]

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 physiologische 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.^[13] 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.^[14]

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;^[15] die letzte Verlängerung bis Ende 2009 sowie die komplette Abschaffung der Frist wird mit Handelshemmnissen beim Export in Drittländer begründet.^[16][17] Von Anfang 1978 (dem Ende der Übergangsfrist der Vorläuferrichtlinie^[18]) bis Ende September 1981 (dem Inkrafttreten der vorhergehenden Richtlinie^[14]) 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 für Kilokalorien auch offiziell zulässig.^[3]

Der empfohlene Tagesbedarf für erwachsene Menschen variiert abhängig von Geschlecht und Alter. Durchschnittlich liegt er etwa bei 8–13 MJ (2–3 Mcal / 2.000–3.000 Kilokalorien), während aktive Hochleistungssportler auch ohne Weiteres das Doppelte benötigen können.^[19]

Die österreichische Schwerarbeitsverordnung definiert schwere körperliche Arbeit u. a. so, wenn bei einer achtstündigen Arbeitszeit von Männern mindestens 8.374 Kilojoule (2.000 Kilokalorien) und von Frauen mindestens 5.862 Kilojoule (1.400 Kilokalorien) verbraucht werden (§ 1 Abs. 1 Z 4 Schwerarbeitsverordnung).

Weblinks

Wiktionary: Kalorie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise