焦耳的贡献

焦耳(JamesPrescottJoule,1818—1889)关于热功当量的测定是确定能量守恒定律的实验基础。1840 年至 1841 年间，他测量了电流通过电阻放出的热量，总结出了《论伏打电所生的热》等两篇论文。他发现导体在一定时间内放出的热量同电路的电阻以及电流强度平方之积成正比——这就是焦耳定律。但是焦耳明白，这个实验不能对热的来源作出判断。

1843 年，焦耳想到由磁电式机器(即发电机)通过感应而产生的电流应该与来自其它电源的电流一样产生热效应。在《论磁电的热效应和热的机械值》一文中，他写道：

“当我们不把热看作一种实物，而是看作一种振动状态时，没有理由认为它为什么不能由一种单纯的机械性质的作用所引起，例如象一个线圈

在一个永磁体的磁极前转动的种种作用。”[4]

于是他设计了这样一个实验，使一个绕在铁芯上的小线圈在一电磁体的两极间转动，用一个电流计测量线圈中的感应电流，把线圈放进一个盛水的量热器里以测定水温升高所获得的热量。实验得出这样的结果：“磁电机的线圈所生成的热量正比于电流的平方。”

为了确定转动线圈所消耗的机械功与生成的热量之间的数量关系，就需要同时确定转动该装置所需要的机械能。焦耳采用的办法就是在带动线圈的轴上绕两条细线。跨过两个滑轮挂以适当重量的砝码，由砝码的重量及下落的距离计算出所作的功。他总共作了 13 次实验测得热功当量大约为460kg·m/千卡。在文章的最后，他得出这样的结论：“由于创世主的意旨，自然界的全部动因是不灭的；因此有多少机械能被消耗掉，就有完全等量的热被得到。”[16]

1850 年，焦耳在他写的《论热功当量》一文中，总结分析了以往工作的经验，并介绍了现在物理教科书上所介绍的那个经典实验：在金属量热器内装上带有桨叶的轴，叶片分布在彼此成 45°角的垂直平面内(共八列)，在侧壁上装有呈放射状的四列平板，以阻止水的运动。在轴的外端的木圆柱上绕上绳子，绳子通过定滑轮吊起重物，重物下落的高度由标尺测量。焦耳测得热功当量值为 425kg·m/千卡或 4.16J/卡，与现在采用的热功当量值 427kg·m/千卡或 4.18J/卡，差 0.5%。在得到了上述热功当量数值后，焦耳作了如下总结。他说：“由物体(不论固体或液体)的摩擦所产生的热量与消耗的功之量成正比。”焦耳的研究是以测量、严格的实验与观察和对自然界能量不灭的执着信念为基础的。他还力求从理论上说明功热互相转化的可能性，用他的话说：“热和机械功的联系体现了热作为物体粒子运动模型的理论。”他在 1848 年写的《关于热与弹性流体之组成的意见》一文中指出：

“由这些实验所得出的明显结论是，热与机械力是可以互相转化的， 因此很显然，热或是可称衡的粒子的活力，或是能够产生活力的一种吸引或排斥的状态。关于空气的胀缩引起温度改变的一些实验同样揭示出弹性流体的组成内幕，因为这些实验表明弹性流体的热是它们所具有的机械力。又由于已知气体的温度决定着它的弹力，所以弹力(或压强)必定是组成任何气体的那些粒子运动的效果。”[4]

焦耳的工作一开始也没有得到人们的重视。1844 年英国皇家学会拒绝他宣读论文。1847 年英国科学促进会只让他报告实验提要，本来对他的发言不准备讨论的，但汤姆孙(W.Thomson)却提出了问题，指出焦耳的研究结果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。这个提问引起了听众对新理论的强烈兴趣，从而使焦耳的论文受到了科学界的注意。

焦耳一生专心致志于热功当量实验几乎到了着迷的程度，给当时的科学家留下了深刻的印象。我们从汤姆孙在 1893 年讲的一段话可以看到这一点：

“我永远不会忘记，英国科学促进会 1847 年在牛津举行的会议。在一个小组会上，我聆听了一个非常谦虚的青年人宣读了一篇论文。他并没有流露出他有一个伟大理论要发表的神气。他的论文深深地打动了我。最初， 我想那可能不正确，因为它与卡诺理论不同，当他宣读完毕，我立即同作

者焦耳谈了几句话，这就是我们四十年相识与友谊的开始。就在当天晚上， 在英国科学促进会这个可贵的学会上，我们有幸谈到和讨论他和我所知道的有关热力学的一切。我听到自己以前从未想过的一些意见，我想我也提出了值得焦耳考虑的东西，例如我告诉他卡诺理论。我们那时在牛津拉德克利夫图书馆(RadeliffleLibraryOxford)那里分手，我可以肯定，我们俩人都感到彼此都有很多话要说，这天晚上的讨论有很多事要回顾。然而使我惊奇的是，在两星期以后，当我走下契忙里克斯(Chamounlx)山谷时，我远远看见一个青年人沿山路迎面向我走来，他手里拿着一条象手杖一样的东西，但是他既不把它用作铁头登山杖，也不用作行走手杖。他就是焦耳， 手里拿着一支长温度计，他不放心把它放在跟在他后面慢慢往上爬的游览车上，怕把它碰断，尽管他的新娘——以后他工作的同情伴侣及参与者—

—安详又舒适地坐在游览车中。在那次 A 小组会上或拉德克利夫图书馆里，他都没有吐露三天后他要结婚，但是现在，在契忙里克斯山谷，他向我介绍了他年轻的妻子。我们约好两星期之后在马秩尼(Martigny)相会， 共同用此温度计测量色朗契斯(Sallanches)瀑布的温度。以后我们便经常会面，并从此成为密友，一直到他去世。许多年来我兴高彩烈，心满意足， 从四十年前开始，我与焦耳共同实验，取得了关于热力学理论的一些重要的成果。这是我一生最值得回忆的之一，这对一个有志于科学的人同样是我能想起的最有价值的回忆。”[19]

热功当量的测量，即使在焦耳的蜜月时间也吸引着他，这种对验证科学原理的近似着迷及坚定不移就是焦耳的性格特征。