热功当量的测定

关于热功当量的测定，是确立能量守恒原理的实验基础。詹姆斯·普雷斯特科·焦耳是曼彻斯特一个酿酒师的儿子和业余科学家，很早就关心各种物理力、特别是当时刚显示出其发展前景的电力的应用价值的研究。

焦耳首先研究了电流的热效应。电流通过金属导线发热的现象是戴维早已发现的，焦耳则进一步确定了电流生热的定量关系。他在玻璃管中装入水银，通以强弱不同的电流，测定相应的温度变化，从而发现了导线的发热量与电流强度的平方成正比；后来又通过对不同金属导线的实验，发现发热量与电阻成正比。1840 年他写出了论文《论伏打电所产生的热》，断言导体在一定时间内放出的热量同电路的电阻和电流强度平方的乘积成正比。不久写了《电解时在金属导体和电池组中放出的热》一文，得出结论：电路所放出的全部热量正好等于电池中物质化学变化所产生的热量；电流的机械动力和加热能力都和电流强度有同样的比例关系，所以电流的机械动力和加热能力成正比。这里焦耳已接近热、电、化学能相当的概念，但是焦耳认为这个实验还不能对热的来源作出判断，因为“热质”还可能是通过导线从外界输入的。

焦耳想到，用磁电机（即磁电式发电机）的感生电流应该与来自直流电源的电流一样地产生热效应。他使一个线圈在电磁体的两极间转动，线圈放在量热器内。实验证明，产生的热和用来产生它的机械动力之间存在恒定的比例。由于电路是完全封闭的，水温的升高完全是由于机械能转化为电、电又转化为热的结果，这就排除了热质是从外界输入来的可能。这些实验被总结到 1843 年 8 月 21 日他在一个学术会议上宣读的论文《论磁电的热效应和热的机械值》中，他得到：“使一磅水增加 1°F 的热量等于把 838 磅物体提高一英尺的机械功。”用现在通用的单位，这个值约为 460 千克米/千卡。在该文的附录中他又补充说：“最近，测定水通过窄管时所产生的热，我得到使 770 磅物体提高一英尺的机械力可使一磅水增加 1°F。我将立即重复并扩展这些实验，以证实自然界的力根据创世主的意旨是不能毁灭的，凡是消耗了机械力的地方，总能得到相当的热”。这样，热就被证实是能量变换的一种形式。但是，焦耳的结论得到的却是一些大物理学家的怀疑和不信任。

焦耳决心以更多的实验证明他的结论。1814 年他又作了测定空气在压缩和膨胀时所产生的热量的实验，用这种新的方法得到了热的机械当量的数值分别为 436 千克米/千卡和 438 千克米/千卡。他要求在皇家学会宣读他的论文遭到拒绝。他将这些结果写入《论由空气的胀缩所产生的温度变化》一文中。

1847 年 6 月，当焦耳要求在牛津举行的英国科学促进协会上宣读自己的论文时，会议主席以内容太多为理由，只允许他简要介绍一下他自己的实验，并且不予讨论。但在他发言之后，当时已很有名气的青年物理学家威廉·汤姆逊站起来提出了质询，认为焦耳的结论是同法国工程师们所建立的热机理论相矛盾的，因为后者是以热质说为出发点的。这个质询反而引起了人们对焦耳工作的注意。这次会后焦耳和汤姆逊作了进一步的讨论，使汤姆逊得到了“在这之前他从未有过的观念”。

后来，焦耳又进行了摩擦生热的实验。1849 年 6 月，他将论文《论热的机械当量》经法拉第送交皇家学会，被皇家学会刊印。在这篇论文中，焦耳总结了以往的工作，并介绍了现在通常被写入物理教科书上的那个经典实验：在量热器内装上带有叶片的桨轮，叶片分布在彼此成 45°角的竖直面上

（共八列）；侧壁上成放射状固结着四列平板，以阻止液体的整体流动。在轮轴外端木圆柱上绕以绳子，绳子通过定滑轮吊以重物，重物下落作功而带动桨叶搅动液体使其温度升高，由此可以测定出热功当量。他用水做实验所得结果是：“要产生一磅水（在真空中称量，温度在 55°F 到 60°F 之间）升高 1°F 的热量，需要花费相当于 772 磅重物下降 1 英尺所作的机械功”。这个值即 424.3 千克米/千卡。这个测量结果同三十年后，由美国物理学家罗兰所做出的测定在 1/400 的误差范围内是相一致的，由此可见焦耳实验的精确性。此后，焦耳还继续进行他的实验测量，一直到 1878 年。他前后用了近四十年的时间，做了四百多次实验，确定了热功当量的精确数值，为能量守恒原理的建立提供了可靠的实验根据。

1850 年，焦耳当选为英国皇家学会会员，他的研究成果终于得到了承认，并标志了他对科学的发展做出了重大贡献。

除迈尔和焦耳之外，这一时期还有不少人得出了同样的结论。

著名的德国生理学家和物理学家赫尔姆霍茨也是从生理现象的研究入手发现了能量守恒原理的。他认为当时流行的施塔尔关于生物机体内存在着一种“生命力”的活力说，实际上是赋予了生物体以永动机的性质。他从永动机不可能实现开始入手论证。在 1847 年自费出版的《论力的守恒》一书中，赫尔姆霍茨认为，与速度和时间无关的中心力是一切事物运动的最终原因；他把永动机之不可能同中心力的保守性相联系，从而得出在这种力的作用下“系统中的张力和活力之和是始终不变的”。他所说的“张力”即指势能， “活力”是指动能。赫尔姆霍茨曾经错误地认为，如果除中心力之外，还存在着另外的力，永动机就可能实现。后来他认识到了这个错误，对自己的理论作了修正”。赫尔姆霍茨把他所得出的能量守恒原理推广到光、热、电磁现象、化学运动以及生物机体内进行的过程上，指出“这一定律与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾”。他说：“这个定律的完全证实，将是不远的未来物理学家们的基本任务之一”。

法国工程师卡诺早期是信奉热质说的。但在 1830 年他由于受到菲涅耳关于光与热的波动说和伦福德关于热的运动说的影响，而由热质说转向热的运

动说，在他的笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力，或者可以说，它是改变了形式的运动”；“人们可以由此提出一个普遍的命题：动力是自然界的一个不变量，准确地说，它既不产生，也不能消灭”。卡诺未做推导而给出了热功当量的数值 370 千克米/千卡，这是十分明确的能量守恒与转化定律的表述。不过，1832 年卡诺困死于霍乱，未来得及发表他的上述发现。根据当时的习俗，死者的遗物都要被焚烧。直到 1878 年，他的一束未遭火焚

的 23 页的手稿被发现，这些见解才公开发表，这时能量守恒原理早已确立了。

李比希的学生，德国化学家莫尔在 1837 年发表的《对热的本性的看法》中，提出了各种不同形式的能都是机械能的表现的看法。他写道：“力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚力、电、光、热或磁，从这些运动形式中的每一种都可以产生出一切其余的形式”。这个论述表达出了各种不同运动形式的统一性和相互转化。

英国律师出身的电化学家格罗夫在 1842 年发表了《自然界的各种力之间的相互关系》的讲演，指出各种“物理力”在一定条件下都可以相互转化而不发生任何力的损失，热在本质上是“纯动力的”；他认为应该解决的一个重大问题“就是要确定它们的当量，亦即确定它们与某一标准的度量关系”。这篇报告于 1846 年以《物理力之间的相互关系》为名出版。

丹麦工程师柯尔丁在 1840 年已通过哲学的思考得出力的守恒原理，此后又用摩擦实验测定了热功当量的数值。1843 年他向哥本哈根科学院提出了实验报告。

此外，蒸汽机工程师，法国的马尔克·塞贯在 1839 年；德国的卡尔·霍

尔茨曼在 1845 年；法国的 G·A·赫恩在 1854 年，都分别提出了能量守恒原理，并且都进行了热功当量的计算。赫恩甚至研究过一个纺织厂的热机全部输入的热量和全部输出的功，得出了内能等价地转变为机械功的结论。

这样，从 1832 年到 1854 年间，许多人彼此独立地以不同形式提出了能量守恒的思想，并基本上是同时的、分别的发现了热的运动说，宣布了热的运动说的胜利。