グミを燃料にロケットを飛ばせるかを測る、エネルギー計算法

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食品ラベルに記載されるカロリーならば、誰もが気にかける。しかし、食べ物のもつエネルギーは「どこ」から来るのだろうか? 化学の視点による、エネルギーの測り方。

TV番組「怪しい伝説(MythBusters)」の最新エピソードで、アダムとジェイミーが試そうとしていたのが「グミを燃料にしてロケットを飛ばせるのか?」という問題だ。

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確かにグミに含まれる糖は、エネルギーの宝庫だ。そのエネルギーを使えばロケットも飛ばせるかもしれない。しかしそれ以前に、グミのエネルギーをどうやって測ったらいいのだろう? その答えは、「ボンベ熱量計」が教えてくれる。

グミエネルギーは、どこからやってくる?

糖自体にエネルギーが蓄えられていると考えがちだが、それは厳密に言うと正しくない。実際には、砂糖の成分分子を少しのエネルギーを使って分解することで、より多くのエネルギーを得るのだ(その際、二酸化炭素といった副産物が発生する)。

糖からエネルギーを得るには、化学反応によって(分解するだけでなく)新しい分子をつくり出さねばならない。グミの場合、砂糖と空気中の酸素の間で化学反応が起き、その生成物の1つとして二酸化炭素ができる。では、このエネルギー変換を測定するにはどうすればいいのか?

「ボンベ熱量計」を使って測定してみる

その基本的原理は「何かを燃焼させたときに得られるエネルギー量を測定する」というものだ。化学者たちがラボで使う古い装置・ボンベ熱量計。その内部を簡素化すると下記の図のようになる。

では実際の測り方を見てみよう。

    ボンベ(ボンベと言ってもそう呼ばれるだけで、爆発しないただの金属の入れ物だ)にサンプルを入れる。内部に酸素を入れ、しっかり密閉する。内部のあらかじめ水温を測っておいた水中に、ボンベを入れる。電流を流し、サンプルに火をつける(試料を完全燃焼させるため、酸素が必要だ)。その燃焼熱がボンベや内槽水に伝わり、水とボンベの比熱容量とその水温が上昇した温度からそのエネルギー総量が分かる。これで完了だ!

エネルギー変換の合計熱量を計算したあとは、これをカロリーに換算すればいい(好みのエネルギー単位でいい、個人的には、ジュールが好きだが)。

もしグミの「食物カロリー」を出したいなら、この方法はベストではないかもしれない。というのもこのボンベ熱量計と人間の体内の消化機能には大きな違いがあるからだ。人間は通常、食べた物を消化して完全にすべてをエネルギーとすることはないという。食べ物の一部は完全に消化される前に体外へ排出されてしまうのだ。それゆえ、人々は食品ラベルに記載されているカロリー数について文句を言うのだが。

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