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图1 电量热法实验装置示意图
图2 机械量法装置示意图

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。

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