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焦耳与热学第一定律

姚立澄
  热是什么?从远古人们就一直关心这个问题。人类感知着冷与热,学会了取火,利用火来改善饮食和起居。但是,热是什么,一直都缠绕在人们心头,没有一个正确的认识。到了18世纪,还存在着两种相互对立的观点。一种观点认为热是一种不生不灭的流质,一个物体含有的热质多,就具有较高的温度,当热质减少了,温度就降低了,这是热质说。与此相对立的一种观点认为,热不是物质,是物质的一种运动的形式,热是一种运动。

  本杰明·汤姆森(朗福德伯爵,1753—1814)最早提出热是一种运动的思想。他注意到,当用镗具钻削制造炮筒时,金属坯料烫得像火一样,因而必须不断用水来冷却,根据热质说,当金属被切削成刨花时,热质就从金属中逸出,本应冷却。英国物理学家焦耳(1818—1889)赞成朗福德伯爵的观点,在1840年以后,焦耳做了一系列设计极为巧妙的实验,证明热是同大量分子的无规则运动相联系的。他在一个盛水的容器里装上水,容器安装了转动轴以及附在轴上的有叶片的搅拌桨。转动轴通过滑轮由吊着的重物来驱动。这样,重物下降要做功,转化成摩擦而生成的热,再传给水。焦耳通过计算,可以确定重物做的功与产生的热之间的正比关系。为了使计算更准确,在近四十年间,他用各种方法进行了四百多次实验。焦耳以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性,否定了热质说,表明了功可以转化,并为能量守恒定律奠定了实验基础。能量守恒定律是自然界普遍规律之一,焦耳的主要贡献是他研究了热和机械功之间的当量关系,测量出热功当量为4.18焦耳/卡。

  1847年,焦耳在科学会议上公布了自己的实验结果,大家都表示怀疑,不相信能量可以转化。几年之后,不同实验都证实了能量守恒和转化的关系之后,大家才认可了焦耳的工作。

  热量可以从一个物体传递到另一个物体,也可以与机械能或其他能量互相转换,但是在转换过程中,能量的总值保持不变。这就是热力学第一定律,它是热力学的基础,在能源方面有着广泛的应用。

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  漫话物理实验之四

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