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焦耳如何發現能量守恒定律的?

焦耳(1818~1889)焦耳,英國物理學家,出身於曼徹斯特壹個釀酒廠主家庭。

他從小隨父參加釀酒勞動,沒有進過正規學校學習,1835年認識曼徹斯特大學教授道爾頓。在他的幫助下,焦耳通過艱苦自學,終於成為壹位有成就的科學家。

焦耳壹生大部分時間是在實驗室裏度過的,他做過的實驗有400多個。1840年,22歲的焦耳經過多次通電導體產生熱量的實驗,發現電能可轉化為熱能,並得出壹條定律:電導體所產生的熱量與電流強度的平方、導體電阻和通電時間成正比,被稱為焦耳—楞次定律。

在這壹發現的基礎上,焦耳繼續探討各種運動形式之間的能量守恒和轉換關系。焦耳在論文中宣布,自然界的能是不能毀滅的,哪裏消耗了機械能,總能得到相當的熱,熱只是能的壹種形式。這壹宣布打破了統治多年的所謂熱質說的機械唯物論,從而引起轟動。此後,焦耳繼續改進實驗方法,不斷提高實驗精確度,終於得出了壹個重要的物理常數,即熱功當量。後人為了紀念他,把功和能量的單位稱為“焦耳”,簡稱“焦”。

走入科學誤區的少年

19世紀初葉,“永動機熱”席卷整個歐洲。

“爸爸,我想設計壹種機器,它壹旦運轉起來,就不再消耗能量了。”有壹天,焦耳天真地對父親說。

“這可能嗎,詹姆斯?”父親驚疑地問。

“可能的,爸爸。”焦耳充滿信心地回答說,“聽說有人已經設計出來了,還拿出來公開展覽呢!”

從此,為了發明永動機,焦耳幾乎消磨了他全部的業余時間。他經常通宵達旦地冥思苦想,設計圖紙,制作加工零件。經過幾個月的頑強奮戰,焦耳制造出了壹部嶄新的機器模型。

焦耳聚精會神地試了起來,然而這部機器模型中看不中用,人力使它動作起來以後,它只動了幾下,就不動了。

接著,焦耳又搞出了幾個改進過的設計,但都以失敗而告終。這些看起來十分漂亮的機器,實際上是壹堆廢物。

失敗乃是成功之母,迷途的終點常常就是坦途的起點。迷途知返的焦耳進入青年時代以後,經過幾年的努力學習,勤奮實踐,終於從反面的教訓中,找到了熱功當量值,並逐漸認識到,能量只能從壹種形式轉化為另壹種形式,絕不能無中生有。

為了讓後人少走彎路,焦耳成名後還現身說法,語重心長地告誡那些仍在迷戀永動機的人:“不要永動機,要科學!”

發現能量轉變的秘密

焦耳對能量轉變研究的方法與他人有所不同,他采取的是嚴格進行定量實驗分析的方法。焦耳對由電流激起的熱量進行試驗,測定熱量與電流強弱和時間的相關性。在研究電流的熱效應過程中,焦耳測定了電熱當量。

1842年,為了準確測定量值,焦耳設計了壹個特殊的實驗。他用壹個保溫性良好的容器裝上水,再浸入壹個葉輪,葉輪由繩筒帶動,而繩筒本身又與下垂的重錘相連接;然後他用重錘下落所做的功和葉輪轉動使液體溫度升高的辦法來求出熱功當量。經測定,焦耳發現427千克米的功可以產生1千卡的熱量。令人遺憾的是,焦耳的研究成果同邁爾的壹樣,起初並未引起人們應有的重視。

除邁爾與焦耳之外,還有俄國化學家赫斯、德國物理學家霍耳茲曼、丹麥工程師柯耳丁、德國重量學家和物理學家亥姆霍茲、法國物理學家伊倫,他們都在19世紀40年代~50年代初獨立地發表過有關能量守恒的論文。

這麽多不同學科的科學家們,在差不多同壹時期內獨立地發現了物質運動之間能量的守恒性。有鑒於此,物理學就把這些各自不同的發現綜合歸納為能量守恒定律。