誰測量了熱量和機械功之間的關系

1840年，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這壹實驗，他發現：導體在壹定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。四年之後，俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果，從而進壹步驗證了焦耳關於電流熱效應之結論的正確性。因此，該定律稱為焦耳-楞次定律。焦耳總結出焦耳-楞次定律以後，進壹步設想電池電流產生的熱與電磁機的感生電流產生的熱在本質上應該是壹致的。1843年，焦耳設計了壹個新實驗。將壹個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果，整個過程不存在熱質的轉移。這壹實驗結果完全否定了熱質說。上述實驗也使焦耳想到了機械功與熱的聯系，經過反復的實驗、測量，焦耳終於測出了熱功當量，但結果並不精確。1843年8月21日在英國學術會上，焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中說1千卡的熱量相當於460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響，這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化，他在這方面取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關系的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值，從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定律的基礎，並解釋了氣體對器壁壓力的實質。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學家威廉·湯姆孫（後來受封為開爾文勛爵）***同完成的。在焦耳發表的97篇科學論文中有20篇是他們的合作成果。當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要下降，這壹現象就是兩人***同發現的。這壹現象後來被稱為焦耳-湯姆孫效應。無論是在實驗方面，還是在理論上，焦耳都是從分子動力學的立場出發進行深入研究的先驅者之壹。在從事這些研究的同時，焦耳並沒有間斷對熱功當量的測量。1847年，焦耳做了迄今認為是設計思想最巧妙的實驗：他在量熱器裏裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水的升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。焦耳還用鯨魚油代替水來做實驗，測得了熱功當量的平均值為423.9千克·米/千卡。接著又用水銀來代替水，不斷改進實驗方法，直到1878年，這時距他開始進行這壹工作將近40年了，他已前後用各種方法進行了400多次的實驗。他在1849年用摩擦使水變熱的方法所得的結果跟1878年的是相同的，即為423.9千克·米/千卡。壹個重要的物理常數的測定，能保持30年而不作較大的更正，這在物理學史上也是極為罕見的事。這個值當時被大家公認為熱功當量