Omrekenen van Calorieën naar Nanojoule

Informatie over de Calorie (cal)

De calorie is een energie-eenheid gelijk aan 4,184 joule. Het symbool is cal. Zij werd oorspronkelijk gedefinieerd als de warmte die nodig is om de temperatuur van één gram water met één graad Celsius te verhogen, en zij is geen SI-eenheid, al leeft zij vrijwel overal voort waar over voedsel en warmte wordt gesproken.

De oorspronkelijke definitie was onhandig omdat het antwoord van de begintemperatuur afhangt. Water vraagt iets meer warmte om van 14,5 naar 15,5 graden te gaan dan van 19,5 naar 20,5, zodat er verscheidene concurrerende calorieën bestonden: de vijftiengradencalorie, de gemiddelde calorie en de calorie van de internationale stoomtabellen, onder andere. De thermochemische calorie die nu wordt gebruikt is eenvoudig gedefinieerd als precies 4,184 joule, wat de band met water volledig doorsnijdt en aan de dubbelzinnigheid een einde maakt.

De grotere verwarring betreft de schaal. De calorie die op voedselverpakkingen in de Verenigde Staten staat gedrukt is helemaal niet deze eenheid maar de kilocalorie, duizend maal groter, soms onderscheiden door een hoofdletter C. Een koekje dat zestig calorieën heet te bevatten bevat in werkelijkheid zestigduizend van de hier beschreven eenheid. De gewoonte zit diep en zal wel niet veranderen, dus voedingscijfers en natuurkundige cijfers moeten in verschillende registers worden gelezen.

De scheikunde hield de calorie lang aan nadat de natuurkunde verder was gegaan. Reactie-enthalpieën, bindingsenergieën en vormingswarmten werden het grootste deel van de twintigste eeuw in kilocalorieën per mol getabelleerd, en oudere literatuur en sommige huidige Amerikaanse leerboeken doen dat nog. Het overeenkomstige SI-getal in kilojoule per mol is een factor 4,184 groter, en verkeerd lezen welke bedoeld is levert fouten op die aannemelijk ogen.

De voedingswetenschap gebruikt haar omdat de menselijke energiebalans toevallig op een handige schaal in kilocalorieën ligt, met een dagelijkse behoefte van ongeveer tweeduizend. In joule wordt hetzelfde getal ruwweg achtenhalf miljoen, wat juist is maar lastiger uit het hoofd te hanteren.

Airconditioning en koeling worden in sommige landen nog in kilocalorieën per uur aangeduid, en verbrandingswaarden van brandstoffen staan in oudere technische tabellen in calorieën per gram.

Eén calorie is gelijk aan precies 4,184 joule, 0,001 kilocalorie of ongeveer 0,00116 wattuur.

Informatie over de Nanojoule (nJ)

De nanojoule is een energie-eenheid gelijk aan een miljardste joule, dus 0,000000001 joule. Het symbool is nJ. Zij markeert het punt waar de mechanica plaatsmaakt voor de optica en de elektronica: veel te weinig om iets te verplaatsen wat het oog kan zien, en toch heel groot vergeleken met de energie van één enkel deeltje. Vrijwel elke in nanojoule geschreven grootheid komt uit een meetinstrument en niet uit de dagelijkse ervaring.

Het licht geeft het duidelijkste beeld van de schaal. Een foton groen licht draagt ongeveer 3,6 × 10⁻¹⁹ joule, zodat één nanojoule overeenkomt met ruwweg 2,8 miljard van zulke fotonen die samen aankomen. Tegenover de warmte is zij nog groter: de gemiddelde warmte-energie van één enkel molecuul bij kamertemperatuur bedraagt ongeveer 4 × 10⁻²¹ joule, waarmee de nanojoule er zo'n 240 miljard maal boven ligt. De eenheid staat dus ver boven de kwantumwereld en ver onder de mechanische.

Gepulste lasers zijn waar zij haar nut bewijst. De oscillator van een tweefotonenmicroscoop levert pulsen van enkele nanojoule bij tachtig miljoen pulsen per seconde, wat gemiddeld enkele honderden milliwatt bundelvermogen oplevert. Vezellasers, optische coherentietomografen en afstandsmeters op vluchttijd worden op dezelfde manier gespecificeerd, want wat een monster beschadigt of een bruikbare echo teruggeeft, is de energie per puls en niet het gemiddelde vermogen uitgesmeerd over de seconde.

De digitale elektronica meet zich van onderaf aan de nanojoule. Eén schakeling in een processor kost femtojoule en één geheugentoegang enkele picojoule, zodat één nanojoule honderden leesbewerkingen of miljoenen logische bewerkingen betaalt. Het ontwerp voor energieoogst keert het beeld om: een zonnecel voor binnen, een piëzo-elektrische opnemer of een radioantenne verzamelt soms maar enkele nanojoule per seconde, en het hele vak van uiterst laag verbruik bestaat erin nuttig werk binnen dat budget te passen.

Gewone voorwerpen halen deze schaal alleen als ze heel klein zijn of nauwelijks bewegen. Een zandkorrel van een milligram die een tiende millimeter valt, geeft ongeveer één nanojoule vrij. Eén haar over de eigen dikte optillen kost nog minder. Niets in een keuken of een werkplaats wordt ooit in nanojoule geteld, en juist daarom hoort de eenheid thuis in laboratoria, laserkatalogi en gegevensbladen, niet op rekeningen en etiketten.

Op schrift concurreert het voorvoegsel met de wetenschappelijke notatie. Natuurkundige artikelen drukken meestal 10⁻⁹ J en gaan verder, terwijl instrumentbouwers nJ schrijven omdat het op een specificatieregel past en zonder rekenwerk leesbaar is. Beide vormen noemen dezelfde grootheid, en de keuze zegt meer over de beoogde lezer dan over de meting. Waar een tabel pulsenergieën over meerdere decaden dooreen zet, laten de vormen met voorvoegsel zich doorgaans beter in één oogopslag vergelijken.

Eén nanojoule is gelijk aan 0,000000001 joule, ongeveer 6,24 × 10⁹ elektronvolt of ongeveer 2,78 × 10⁻¹³ wattuur.