科学史-物理学编年史-66焦耳的热功当量

时间：公元1842年。

热量以卡为单位时与功的单位之间的数量关系，相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量。英国物理学家焦耳首先用实验确定了这种关系，将这种关系表示为1卡（热化学卡）=4.1840焦耳，即1千卡热量同427千克力·米的功相当，即热功当量J=427千克力·米/千卡=4.1840焦耳/卡。在国际单位制中规定热量、功统一用焦耳作单位。

1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此，该定律称为焦耳-楞次定律。

焦耳总结出焦耳-楞次定律以后，进一步设想电池电流产生的热与电磁机的感生电流产生的热在本质上应该是一致的。1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量感生电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果，整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。

上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，焦耳终于测出了热功当量，但结果并不精确。1843年8月21日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。

1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化，他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究，焦耳计算出了气体分子的热运动速度值，从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力的实质。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉·汤姆孙共同完成的。在焦耳发表的97篇科学论文中有20篇是他们的合作成果。当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降，这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被称为焦耳-汤姆孙效应。

在从事这些研究的同时，焦耳并没有间断对热功当量的测量。1847年，焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的摩擦，水和量热器都变热了。根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功；根据量热器内水的升高的温度，就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。

焦耳还用鲸鱼油代替水来做实验，测得了热功当量的平均值为423.9千克·米/千卡。接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到1878年，这时距他开始进行这一工作将近40年了，他已前后用各种方法进行了400多次的实验。他在1849年用摩擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克·米/千卡。一个重要的物理常数的测定，能保持30年而不作较大的更正，这在物理学史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量。

从下述两点说明功和热是相当量，而不是相等。

其一是在系统的内能发生同样的变化中，既可以通过做功来完成，也可以通过传递热量来完成。两者之间只是在作用于系统这一效果上是等效的，决不能等同起来。

其二是功和热之间的转换只有通过系统内能的变化才能完成。脱离系统去谈功和热之间的直接转换是不恰当的。尽管在宏观上可能反映出系统的内能没有发生变化，也不能得出热可以变功或功可以变热这样简单的结论。如果在转换过程中，外界供给系统热量，使系统全部用来对外做功，实际是外界供给系统热量，使系统的内能增加，同时系统对外做功，消耗了从外界获得的能量。

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