對(duì)焦耳實(shí)驗(yàn)中能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題的思考

王天宇 鄭永明

（山東省青州一中 山東 青州 262500）

1850年，焦耳完成了著名的測(cè)定熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn).如圖1所示，盛在絕熱容器內(nèi)的水，由于砝碼的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，使水溫升高.通過(guò)計(jì)算砝碼質(zhì)量和其運(yùn)行距離，與水的質(zhì)量和升高的溫度確定熱功當(dāng)量.

圖1 機(jī)械量熱法裝置示意圖

現(xiàn)在，仍延用焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程不變，只是把容器里的液體全部排出使其充滿了空氣.啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，做到與原來(lái)實(shí)驗(yàn)相同的時(shí)間，觀察溫度計(jì)，溫度計(jì)的示數(shù)略有上升.隨后把容器里的空氣用真空泵抽出，使容器里呈真空狀態(tài)，再次啟動(dòng)設(shè)備，做到與原來(lái)實(shí)驗(yàn)相同的時(shí)間，觀察溫度計(jì)，溫度計(jì)的示數(shù)沒(méi)有變化，溫度沒(méi)有升高.反復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果相同.

用同樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備做了相同的實(shí)驗(yàn)，在真空狀態(tài)下，槳葉的旋轉(zhuǎn)并沒(méi)有引起溫度的升高，機(jī)械做功后轉(zhuǎn)化成的熱能為零.就是說(shuō)，機(jī)械能在向熱能轉(zhuǎn)化的過(guò)程中是必須有介質(zhì)參與的，比如水或者空氣；沒(méi)有介質(zhì)參與的熱功當(dāng)量轉(zhuǎn)換是徒勞的——機(jī)械能憑空消失了——這一點(diǎn)威脅到能量守恒定律.

而且，在焦耳熱功當(dāng)量的后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，處在真空容器中的溫度計(jì)顯示的是正常的室溫，而不是零.從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)看，熱能①目前的教科書(shū)一般不用熱能而用內(nèi)能，即物體內(nèi)涵的能量，按這種認(rèn)識(shí)，內(nèi)能不可能脫離物體在其空中獨(dú)立存在.我們不這樣認(rèn)識(shí)，故而用熱能而不能內(nèi)能一詞.的本質(zhì)是物體內(nèi)部所有分子的動(dòng)能之和.處在真空中的溫度計(jì)已經(jīng)接觸不到任何物質(zhì)分子，但它依然顯示了正常的室溫而不是零.可以肯定，真空中已經(jīng)沒(méi)有了物質(zhì)分子的存在，那么，熱能來(lái)自何處？所以，分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)有待商榷，以布朗運(yùn)動(dòng)為代表的分子運(yùn)動(dòng)論說(shuō)明的只是熱能的表象，熱能的本質(zhì)不止是物質(zhì)分子或粒子的動(dòng)能之和，以上現(xiàn)象證明，熱能是可以離開(kāi)物質(zhì)（或者是說(shuō)離開(kāi)物質(zhì)的分子或粒子）在真空中獨(dú)立存在的.

我們?cè)賮?lái)看，英籍物理學(xué)家倫福德在1798年做的機(jī)械功生熱的實(shí)驗(yàn).

他曾在慕尼黑軍工廠用數(shù)匹馬帶動(dòng)一個(gè)鈍鉆頭鉆炮膛（圖2），并把炮筒浸在60°F的水中，他發(fā)現(xiàn)，一小時(shí)后，水溫升高47°F，兩個(gè)半小時(shí)后，水開(kāi)始沸騰.倫福德看到的現(xiàn)象是，只要機(jī)械運(yùn)動(dòng)不停止，熱就可以不停地產(chǎn)生.因此確定了熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō).機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了熱能，但轉(zhuǎn)化必須是在鋼制鉆頭切削和摩擦鐵制炮膛時(shí)產(chǎn)生，在切削和摩擦的過(guò)程中，鋼鐵粒子之間堅(jiān)固的物質(zhì)結(jié)構(gòu)被改變，從而釋放了熱能.如果同樣的設(shè)備，同樣的方式，讓鉆頭只是在水中運(yùn)行，兩倍的時(shí)間，水也不會(huì)沸騰；如果同樣的設(shè)備，同樣的方式，讓鉆頭在真空中運(yùn)行就一點(diǎn)也產(chǎn)生不了熱能.因?yàn)闆](méi)有介質(zhì)的參與，沒(méi)有物質(zhì)結(jié)構(gòu)被改變，單純的機(jī)械做功是徒勞的，只做無(wú)用功，不會(huì)有熱能釋放.因此，把熱能的本質(zhì)單純地定義為分子運(yùn)動(dòng)是不正確的，那只是表象.相反的過(guò)程是，如果要把鐵屑變成炮筒，必須要賦予熱能，熔化后的鋼鐵粒子間又重新建立了原來(lái)的物質(zhì)結(jié)構(gòu).

圖2 倫福德用鈍鉆頭鉆炮膛圖

結(jié)論：沒(méi)有介質(zhì)參與就不能實(shí)現(xiàn)熱功當(dāng)量的轉(zhuǎn)換；沒(méi)有物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變和變化就沒(méi)有熱能產(chǎn)生.

介質(zhì)是在受到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的沖擊，原有物質(zhì)結(jié)構(gòu)（比如分子或分子團(tuán)）被改變的狀況下，釋放出熱能.當(dāng)然，這是物質(zhì)最表層的能量釋放，物質(zhì)深層次的熱能釋放其原因相同，也是因?yàn)樵镔|(zhì)結(jié)構(gòu)被改變了.像燃燒和爆炸這樣的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生在物質(zhì)的分子或原子之間，釋放的能量要大得多.它們的共同點(diǎn)依然是，物質(zhì)分子或原子間的結(jié)構(gòu)被改變，釋放熱能.核反應(yīng)中的能量釋放會(huì)更大，結(jié)論依然是，物質(zhì)原子核的結(jié)構(gòu)被改變了，釋放出更大的能量.

結(jié)論就是，熱能蘊(yùn)藏在物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，以另一種能量形式存在，它就是物質(zhì)的組成部分.當(dāng)這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)被改變時(shí)，必然有能量的釋放（或吸收）.將來(lái)精細(xì)的實(shí)驗(yàn)會(huì)證實(shí)，當(dāng)熱能釋放（比如燃燒）后，物質(zhì)也會(huì)有微小的質(zhì)量虧損，等同于核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，其虧損的質(zhì)量m0和釋放的能量E之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，直接或間接的符合質(zhì)能方程

就是說(shuō)，熱能是可以獨(dú)立存在的，具有物質(zhì)屬性（將來(lái)的實(shí)驗(yàn)可以證明熱能具有質(zhì)量），來(lái)源于物質(zhì)結(jié)構(gòu).熱能就是物質(zhì)存在的另一種形式.