热功当量的测量——关于科学的演讲经典篇目

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818-1889)，是英国著名的物理学家:由于他曾经在热学、热力学以及电方面的杰出贡献，被皇家学会授予了最高荣誉的科普利奖章。为了纪念他，后人把能量或功的单位称为焦耳，简称焦。而且标记热量也使用焦耳姓氏的第一个字母“J”来表示。通过无数次的实验焦耳成功获得准确的热功当量的数值，于是焦耳被后人当作发现能量守恒和转化定律的代表人物。

人们对热的本质的研究在18世纪时曾走上过一条弯路，使得热质说在物理学史上整整统治了100多年。当然也有一些科学家，在这段时间曾经对此理论产生过质疑，可是始终没有人能够成功解决热和功的关系这个问题，最后是一位自学成才的英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，为最终解决这一问题指出了一条道路。

1840年，焦耳做了一个实验，为了测量电阻时的水温和不同电流强度，他在装水的试管内放入了一个环形线圈。结果他发现了一个现象:在一定时间内导体的电阻及电流强度的平方之积与导体放出的热量成正比。同年的12月，在英国皇家学会上，焦耳宣读了一篇论文，论文内容就是关于电流生热，他提出了电流通过导体产生热量的定律。不久，俄国物理学家楞次刚好也发现了同样的定律，于是此定律最后被称为焦耳-楞次定律。

焦耳在总结了焦耳-楞次定律后，开始进一步没想，在本质上电磁机的感生电流产生的热与电池电流产生的热应该是一致的。1843年焦耳开始设计一个新的实验。他在铁芯上用一个小线圈缠绕，然后使用电流计用以测量感生电流，在装水的容器中放人线圈，测量水温用来计算热量。电路是完全被封闭了的，因为没有外界电源的供电，机械能转化为电能、电能又转化为热，最终导致了水温的升高，实验表明整个过程并不存在热质的转移。从这个实验的结果上看，热质说完全被否定了。

上述这个实验再次让焦耳联想到机械功与热的联系，经过无数次的实验和测量，焦耳终于测出了热功当量，只是结果没那么精确而已。焦耳在1843年8月21日的英国学术会上，报告了自己的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，这次报告焦耳提出1千卡的热量相当于460千克米的功。不过这次报告显然没有太强烈的反响，焦耳意识到实验还需再精确。

1844年，焦耳开始研究在膨胀和压缩时空气的温度变化，没想到在这方面焦耳取得了很多成就。焦耳通过温度的关系和对气体分子运动速度的研究，成功地计算出了气体分子的热运动速度值，在理论上，可以说是奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并且对气体对器壁压力的实质进行了解释。

在科学研究过程中，焦耳的许多实验都是与著名物理学家威廉·汤姆逊一起努力完成的。焦耳曾经发表了97篇科学论文，其中近20篇都是和威廉·汤姆逊合作的成果。1852年，两人观察了从高压容器进入低压容器时的自由扩散气体，发现大多数气体和空气的温度都会发生下降。后来此现象被称为焦耳-汤姆逊效应。在低温和气体液化方面焦耳-汤姆逊效应被广泛地应用。对蒸汽机的发展焦耳也做出了不少很有价值的工作。

焦耳无论在理论上还是实验方面，都坚持从分子动力学的立场出发，然后进行深入研究。在研究的同时，焦耳从来没有停止过对热功当量的测量。

1847年，焦耳做了一个成功的实验，这是一个迄今为止设计最巧妙的实验:他把水装在量热器内，中间小心地安上带有叶片的转轴，之后让下降的重物带动叶片开始旋转，在叶片和水的摩擦下，水和量热器都逐渐开始变热起来。这时根据重物下落的高度，就能够准确地计算出转化的机械功数值;而且对于水的内能的升高值可以根据量热器内水升高的温度算出，热功当量的准确值就来自于以上测出的两数进行比较的结果。

焦耳后来又利用鲸鱼油代替水进行实验，成功测得热功当量的平均值是423.9千克米/千卡。不断改进实验方法的焦耳也曾用水银代替水做过同样的实验。距焦耳开始进行物理研究到1878年将近40年的时间里，他使用各种方法进行过将近 400多次的实验。

1849年焦耳用摩擦使水变热的方法得出的结论,与1878年得出的不谋而合,就是423.9千克米/千卡。一个物理常数的测定，在保持30年后也没怎么去更正，在物理学史上实在是很罕见的一件事。当时这个值被人们公认是热功当量」的值，与现在了的公认值427千克米/千卡只不过小了0.7%。能够在当时有限的条件下做出如此精确的实验来，足以说明焦耳的实验技能相当高超了。

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