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摇杯子能加热水吗? 第1页

  

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当然可以,而且这个想法在物理学史上意义非凡。正是基于这样的理念,焦耳首次测得了水的热功当量,说明了功和热一体两面的关系,更进一步构成了能量守恒定律的基石。

在19世纪之前,热质说在热力学中占主导地位。热质说认为温度的本质是一种不增不减的热质,只能从一种物体转移到另一种物体,其拥趸包括道尔顿、卡诺、拉普拉斯等。计算热量的单位卡路里(Calorie,1克水提升1℃所需要的热量)即来源于热质(caloric)。但显然,摩擦生热就是热质说的一个反例:热可以由功产生。那么,功(单位为牛·米)是怎么转化热(单位为卡)的呢?功与热的转化关系被称为热功当量,焦耳的目的就是测出这一数值。

焦耳的思路,通俗地来说就是搅水使其发热,再计算搅水所做的功与水热量变化的比值。在隔热容器中装满水,用温度计测量其温度的变化。容器中安设有由转轴驱动的的叶轮,用以搅动水流。转轴又由索线连接到重物上,由重力做功驱动其转动。这样,通过精确测量重物的重量和运动距离,就能知道作用于水的功的大小,再与由温度计测得的热量变化相比较,就可求得热功当量。

最终,焦耳在1849年递交给皇家学会的论文中,宣布测得热功当量为1英热=772.692英尺·磅力,即1卡=4.155牛·米,这与近一百年后的1941年所测得的热功当量4.1855牛·米/卡,只有7‰的误差。因为他的贡献,热量和功的单位最终归为统一,即焦耳(J)。卡被人为规定为4.184焦耳。

焦耳的一生没有入职于任何大学或者研究机构,可以说是民间物理学家,实验都在自家酿酒作坊中开展。他成功的重要因素,就在于酿酒产业对精密温度控制的需求,焦耳自制的温度计,能够分辨小至0.003℃的区别。除了水之外,他还使用了水银、鲸脂作为实验对象,甚至测量了铁片相互摩擦产生的热量。除了用重物驱动搅拌摩擦外,他还采用了用重物驱动发电机发电,再用电流加热水的方法。这一实验的副产品,就是以其名字命名的焦耳定律:电阻发热量与电流的平方呈正比,与电阻呈正比,与通电时间呈正比。




  

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