焦耳热功当量实验

[外文]：Joule's experiment of thermal-work equivalent

证明能量守恒和转换定律的基础性实验。

J.P.焦耳从1840年起，持续几十年时间，用电量热法和机械量热法，做了大量实验，得出结论：热功当量是一个普适常数，同作功方式无关。从而证明了机械能(功)和电能(功)同热量之间的转换关系；论证了传热是能量传递的一种形式；为确认能量守恒和转换定律的正确性打下了坚实的实验基础。

1840年焦耳发现，导体内通以稳定电流后，产生的热量Q同电流强度I的二次方、导线电阻R及通电的时间t成正比，即同电流所作的功W 成正比

W＝JQ。 (1)

比例系数J表示产生1卡热量所需作的功，称热功当量。其实验装置之一如图1所示：容器由绝热壁构成，电流作功使水的内能增加，从而水温升高。用温度计可测出温差ΔT。使用简单定义的使 1克水温度升高1摄氏度所需热量作为量热单位（卡），则水的比热容为c＝1cal/(g·℃)，当知道水的质量m后，即可由Q＝сmΔT确定所传递的热量同电流所作的功W 间的关系式(1)，并定出热功当量J。这种测量热功当量的方法叫电量热法。

焦耳还用机械量热法来测定热功当量。图2是1845年他使用的实验装置的示意图。重砝码缓慢匀速下降，带动轮轴和转轴使翼轮搅拌水，功转变为热，使水温升高。由温度计测出搅拌前后水的温差而算出热量Q。转变为热能的机械功W可由砝码下降的距离算出。由式(1)又可测定热功当量。

焦耳测定热功当量的实验是在英国曼彻斯特进行的，其结果是使1磅水升高1华氏度需作功772英尺磅，这相当于1卡=4.157J。目前国际公认的精确值是

J＝4.186 8J/cal

＝4.184 0J/calth， (2)

其中cal和calth分别表示国际蒸汽表卡和热化学卡。

现在，国际单位制中已经规定热量的单位为焦耳，卡暂时仍作为同焦耳并用的单位。热功当量这个词也将逐渐被废除，但焦耳热功当量实验的历史意义，将是永存的。