焦耳在能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

韋中燊

(北京市大興區(qū)第一中學(xué) 北京 102600)

劉 靜

(北京市和平街第一中學(xué) 北京 100012)

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是物理學(xué)，乃至整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域之中最重要、最基礎(chǔ)的定律之一，是19世紀(jì)物理學(xué)最偉大的概括．19世紀(jì)40年代以前，自然科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)為能量轉(zhuǎn)化與守恒定量的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的事實(shí)基礎(chǔ)．但是，依然有很多來(lái)自于思想慣性的困難阻隔在諸多科學(xué)家成功建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的道路上．焦耳，作為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律重要的確立者之一，用他設(shè)計(jì)巧妙、角度全面、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．

1 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過(guò)程中的矛盾局勢(shì)

1.1 工業(yè)革命引發(fā)的局勢(shì)

工業(yè)革命引發(fā)的機(jī)械發(fā)展為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立創(chuàng)造了有利的局勢(shì).

物理學(xué)的發(fā)展史上，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律幾乎是唯一一個(gè)涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的存在，它建立的準(zhǔn)備基礎(chǔ)也因此變得十分雄厚而堅(jiān)實(shí)，顯然，這樣的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)應(yīng)該歸功于那個(gè)特殊的時(shí)代和諸多有識(shí)之士的共同努力．

(1)力學(xué)方面，機(jī)械能守恒是能量守恒定在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的特殊形式

(2)化學(xué)和生物學(xué)方面

法國(guó)的拉瓦錫和拉普拉斯發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物吃下去的食物發(fā)出的動(dòng)物熱與這些食物直接燃燒后放出的熱近似相等．德國(guó)化學(xué)家李比希的學(xué)生莫爾則從理論上提出不同形式的“力”(當(dāng)時(shí)把能量都稱為力)都是機(jī)械“力”的表現(xiàn)．

(3)熱學(xué)方面的準(zhǔn)備主要體現(xiàn)在對(duì)熱質(zhì)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)反駁上

18世紀(jì)末，倫福德伯爵做了一系列摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)，得出了摩擦可以生熱的重要結(jié)論．1799年，英國(guó)化學(xué)家戴維在《論熱、光及光的復(fù)合》一文中介紹了冰塊摩擦實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了摩擦生熱認(rèn)識(shí)的正確性，也為熱功當(dāng)量認(rèn)識(shí)的提出提供了有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)事實(shí)．

(4)電磁學(xué)方面，大量基本規(guī)律的發(fā)現(xiàn)也啟發(fā)人們朝著統(tǒng)一性和等價(jià)性的方向思考過(guò)去

尤其是法拉第，他尤為強(qiáng)調(diào)各種“自然力”的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化．法拉第在一篇論文中寫(xiě)道：“物質(zhì)的力所處的不同形式很明顯有一個(gè)共同的起源，換句話說(shuō)，是如此直接地聯(lián)系著和互相依賴著，以至于可以互相轉(zhuǎn)換，并在其行動(dòng)中，力具有守恒性．”顯然，法拉第提到的“自然力”，其實(shí)就是能量概念在當(dāng)時(shí)的一種說(shuō)法．法拉第的這個(gè)認(rèn)識(shí)，對(duì)于能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的建立具有非常重要的意義．1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的溫差電現(xiàn)象和1840年焦耳發(fā)現(xiàn)的電流熱效應(yīng)定律，更是給能量轉(zhuǎn)化提供了定量的實(shí)驗(yàn)證明．

(5)邁耶和亥姆霍茲的研究

對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律做出明確敘述的，首先要提到3位科學(xué)家．他們分別是德國(guó)的邁耶、亥姆霍茲和英國(guó)的焦耳．

邁耶是一位醫(yī)生，他通過(guò)思考人靜脈血液和動(dòng)脈血液顏色不同的原因，認(rèn)識(shí)到了生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的．1842年，邁耶在《論無(wú)機(jī)自然界的力》中提出了熱和機(jī)械能的相當(dāng)性和可轉(zhuǎn)換性．1845年，他又在《有機(jī)運(yùn)動(dòng)及其與新陳代謝的聯(lián)系》中系統(tǒng)地闡述了能量轉(zhuǎn)化與守恒的思想．邁耶具體考察了另外幾種不同形式的力，他以起電機(jī)為例說(shuō)明了“機(jī)械效應(yīng)向電的轉(zhuǎn)化”．他認(rèn)為：“下落的力”(即重力勢(shì)能)可以用“重量和(下落)高度的乘積來(lái)量度”，“與下落的力轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄侣涞牧o(wú)關(guān)，這個(gè)力或機(jī)械效應(yīng)始終是不變的常量”．邁耶第一個(gè)完整地提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律．

亥姆霍茲的功勞是從多方面論證了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律．1847年，26歲的亥姆霍茲完成了論文《力的守恒》，充分論證了所有的“力”都應(yīng)和機(jī)械“力”具有相同的量綱這個(gè)觀點(diǎn)．歷史證明，亥姆霍茲的這篇論文在熱力學(xué)發(fā)展歷史上有著十分重要的地位，因?yàn)樗涯芰扛拍钔茝V到了所有變化過(guò)程，證明了能量轉(zhuǎn)化守恒的普遍性．

1.2 思想慣性帶來(lái)的困擾

思想慣性給能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立帶來(lái)的阻力與困擾.

客觀地講，焦耳進(jìn)行熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)所遇到的困難，其實(shí)并不是實(shí)驗(yàn)本身，而是在于當(dāng)時(shí)外在的大環(huán)境．世界上的能量是可以轉(zhuǎn)化的，世界上的能量是不變的，關(guān)于能量轉(zhuǎn)化與守恒的樸素認(rèn)識(shí)雖然很早就出現(xiàn)了，但是卻并沒(méi)有得到人們的重視．甚至，就是邁耶、焦耳和亥姆霍茲這3位在能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用的人物，他們也沒(méi)有能夠逃脫被思想慣性阻隔的命運(yùn)，有人被冷遇，有人甚至直接被忽視掉了．

(1)邁耶的不幸

邁耶雖然被認(rèn)為是第一個(gè)完整地提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的人，但是他并沒(méi)有能夠在他活著的時(shí)候獲得應(yīng)有的重視和尊重．1842年，他成功地寫(xiě)出了論文《論無(wú)機(jī)自然界的力》．但是，當(dāng)時(shí)波根多夫《年鑒》卻拒絕發(fā)表這篇論文．后來(lái)，《年鑒》的李比希雖然同意發(fā)表了這篇文章，但是其中的觀點(diǎn)卻并沒(méi)有引起人們的注意．而這篇文章中的重要觀點(diǎn)就是世界上的能量是不變的，這其實(shí)就是能量守恒的一種表述．1845年，邁耶的第二篇論文更是自己掏了相關(guān)的費(fèi)用才獲得了發(fā)表的機(jī)會(huì)．但是，即便是這樣，邁耶文章中的一些觀點(diǎn)還是遭到了一些無(wú)情的諷刺和挖苦．一個(gè)叫做約里的人曾經(jīng)用嘲諷的口氣說(shuō)，如果邁耶的理論是正確的，那么就意味著水能夠被晃動(dòng)而加熱．邁耶曾因?yàn)樽约旱乃枷氲貌坏秸J(rèn)可而自殺，后來(lái)又被送進(jìn)了瘋?cè)嗽海梢哉f(shuō)，在當(dāng)時(shí)的德國(guó)，真正肯定邁耶的人，極少極少．

(2)焦耳的不幸與幸運(yùn)

相對(duì)于邁耶來(lái)說(shuō)，焦耳無(wú)疑是幸運(yùn)的，雖然，他所做的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)和所得到的結(jié)論也同樣遇到了曲折．焦耳從1843年開(kāi)始進(jìn)行熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)并且很快有了結(jié)果，但是，一直到1847年的時(shí)候，他關(guān)于這方面的研究成果還面臨著遭受冷遇的尷尬．1847年4月，焦耳曾經(jīng)在曼徹斯特做了一個(gè)科普性質(zhì)的演講，所講的內(nèi)容就是有關(guān)能量的普適守恒原理．很尷尬的是，當(dāng)?shù)氐膱?bào)紙開(kāi)始的時(shí)候?qū)苟倪@個(gè)演講根本就沒(méi)有理睬，甚至有一家報(bào)社還拒絕報(bào)道這件事情．1847年6月，相同的論題又被提呈到英國(guó)協(xié)會(huì)的牛津會(huì)議上．大會(huì)主席居然建議讓作者來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)要的報(bào)告就行了，沒(méi)有必要就此問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步的討論．說(shuō)焦耳幸運(yùn)，也是在這次會(huì)議上，恰巧年輕的威廉·湯姆孫正好在場(chǎng)，他敏銳地意識(shí)到了焦耳所提及觀點(diǎn)的重要性，并果斷地站出來(lái)為焦耳吶喊助威，一下子引起了眾人對(duì)這個(gè)新思想的濃厚興趣．結(jié)果，焦耳的這篇論文引起了轟動(dòng)，焦耳本人也終于引起了科學(xué)界的注意．

(3)亥姆霍茲的遭遇

1847年，當(dāng)焦耳終于引起了科學(xué)界的關(guān)注的時(shí)候，亥姆霍茲也在德國(guó)柏林物理學(xué)會(huì)宣讀了同樣課題的論文．亥姆霍茲的論文題目是《活力的守恒》，討論的也是能量的事情．當(dāng)時(shí)的亥姆霍茲只有26歲，他的這篇論文宣讀之后，被很多科學(xué)家認(rèn)為是異想天開(kāi)的思辨．曾經(jīng)在1843年拒絕了邁耶論文的波根多夫《年鑒》這一次又拒絕了亥姆霍茲的論文．無(wú)奈之下，在朋友的支持下，亥姆霍茲只好自己掏錢(qián)把論文印成小冊(cè)子散發(fā)出去，希望更多人有機(jī)會(huì)接觸到它．但是，開(kāi)始的一段時(shí)間里，效果并不是很好．1853年的時(shí)候，小冊(cè)子還受到了克勞修斯的強(qiáng)烈抨擊．后來(lái)，更是有人惡毒攻擊亥姆霍茲，說(shuō)他是一個(gè)不誠(chéng)實(shí)的剽竊者，他的觀點(diǎn)不過(guò)是從邁耶那里剽竊過(guò)來(lái)的．而事實(shí)上，亥姆霍茲和焦耳一樣，他們?cè)?847年的時(shí)候，都并不知道邁耶的工作．焦耳也是在1847年的牛津會(huì)議之后，在與湯姆孫的交流之中，才知道了邁耶和卡諾等人的工作的．

2 焦耳的偉大實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

面對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律建立過(guò)程中的矛盾局勢(shì)，焦耳的偉大創(chuàng)新，或者說(shuō)偉大的功績(jī)就在于他堅(jiān)持不懈地用將近40年的時(shí)間去不斷地進(jìn)行各種形式的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，用鐵一般的事實(shí)去支持和支撐著偉大定律的最終確立．正所謂凡事有果，則必然有因．下面，我們不妨循著這條因果線去了解一些焦耳進(jìn)行熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的歷史進(jìn)程．

2.1 焦耳與焦耳定律的發(fā)現(xiàn)

焦耳是英國(guó)著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，做實(shí)驗(yàn)是他最大的興趣，他經(jīng)常在自己家里做各種實(shí)驗(yàn)，這樣的經(jīng)歷不僅為他順利完成熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)提供了經(jīng)驗(yàn)支持，也成了他能夠不斷地創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)思路，實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的重要保障．

焦耳出生于1818年，1838年的時(shí)候，他剛剛20歲．從這一年開(kāi)始，焦耳對(duì)革新動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生了濃厚的興趣，投入到了電氣熱潮之中，開(kāi)始研究起磁電機(jī)來(lái)．從1838年到1842年期間，焦耳一共寫(xiě)了8篇相關(guān)的論文．在這些論文中，焦耳已經(jīng)注意到了電機(jī)和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，而且他還認(rèn)為這種現(xiàn)象與機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)中的摩擦現(xiàn)象一樣，都是動(dòng)力損失的根源．在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，焦耳開(kāi)始了電流熱效應(yīng)的研究．

1941年，焦耳發(fā)表了文章《電的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱和電解時(shí)電池組中的熱》，介紹了研究電流熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并得出了“在一定時(shí)間內(nèi)伏打電流通過(guò)金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的熱與電流強(qiáng)度的平方及導(dǎo)體電阻的乘積成正比”．

2.2 了不起的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)

電流發(fā)熱、摩擦生熱、燃燒放熱等熱現(xiàn)象的認(rèn)知基礎(chǔ)上，焦耳逐漸意識(shí)到這些熱之間應(yīng)該存在著等價(jià)性．這種等價(jià)性最有力的證據(jù)，正是熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的直接數(shù)據(jù)結(jié)果．

18世紀(jì)末，人們認(rèn)識(shí)了熱與運(yùn)動(dòng)有關(guān)．這為后來(lái)焦耳研究熱與功的關(guān)系開(kāi)辟了道路．焦耳認(rèn)為熱量和功應(yīng)當(dāng)有一定的當(dāng)量關(guān)系，即熱量的單位卡和功的單位焦耳間有一定的數(shù)量關(guān)系．熱功當(dāng)量是自然界中非常重要的常數(shù)，測(cè)定它的意義在于明確功與熱之間的定量關(guān)系，起到的是構(gòu)建橋梁的作用．定量關(guān)系的存在，是普適規(guī)律性的重要體現(xiàn)，它能夠說(shuō)明功與熱這兩者在本質(zhì)上具有一致性．

1843年，焦耳從探索磁電機(jī)中熱的損耗問(wèn)題開(kāi)始了他漫長(zhǎng)的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程．在近40年的時(shí)間里，焦耳做了400多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)．

(1)從磁電機(jī)線圈發(fā)熱到堪稱經(jīng)典的槳葉攪拌法

焦耳在磁電機(jī)線圈的轉(zhuǎn)軸上繞兩條細(xì)線，如圖1所示，相距大約27.4 m處安裝兩個(gè)定滑輪，細(xì)線跨過(guò)滑輪后掛著鉤碼，每個(gè)鉤碼約幾磅重(1磅=0.453 59千克)，鉤碼的數(shù)量可以隨意增減．磁電機(jī)的線圈被浸沒(méi)在量熱器的水中，利用插入水中的溫度計(jì)的示數(shù)可以直接算出線圈放出的熱量，利用鉤碼的重量與其下落距離可以算出所做的機(jī)械功．利用這組儀器，焦耳多次實(shí)驗(yàn)之后，得到了熱功當(dāng)量的第一個(gè)定量關(guān)系：能使1磅水的溫度上升華氏1度所需要的熱量等于把838磅重物提升1英尺所做的機(jī)械功．838磅乘以1英尺，相當(dāng)于1 135焦耳，由此得到的熱功當(dāng)量數(shù)值折合成現(xiàn)在的國(guó)際單位就等于4.511焦耳/卡，而現(xiàn)代公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)值則為4.187焦耳/卡，兩者已經(jīng)非常接近．

圖1 槳葉攪拌法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

焦耳關(guān)于熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)探索并沒(méi)有就此止步，1845年他又進(jìn)一步改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)設(shè)備．他在量熱器中安裝了一個(gè)帶有槳葉的轉(zhuǎn)輪，當(dāng)兩邊通過(guò)滑輪懸掛的重物下降的時(shí)候，就會(huì)帶動(dòng)輪槳旋轉(zhuǎn)，不斷地?cái)噭?dòng)水從而使水升溫．通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，焦耳測(cè)量到的熱功當(dāng)量數(shù)值相當(dāng)于4.782焦耳/卡．

(2)空氣壓縮與膨脹法

同樣在1845年，焦耳又設(shè)計(jì)并進(jìn)行了另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)．如圖2所示，把一個(gè)帶有容器R的壓氣機(jī)C放在作為量熱器的水桶A中．氣壓機(jī)把經(jīng)過(guò)干燥器G和蛇形管W的空氣壓縮到容器R之中，然后測(cè)量空氣壓縮后的溫度變化情況，進(jìn)而從溫度變化中計(jì)算出空氣吸收的熱量．氣壓從一個(gè)大氣壓上升到22個(gè)大氣壓，整個(gè)壓縮過(guò)程可視為絕熱過(guò)程，另外再計(jì)算出壓氣機(jī)所做的功之后，這個(gè)過(guò)程的熱功當(dāng)量數(shù)值就能夠計(jì)算出來(lái)了．然后，焦耳又馬上做了釋放壓縮空氣的實(shí)驗(yàn)．壓縮空氣通過(guò)蛇形管被釋放出來(lái)之后，量熱器的溫度就會(huì)隨之下降．利用這個(gè)過(guò)程，焦耳又得到了一系列的熱功當(dāng)量數(shù)值．多次平均之后，焦耳借助這個(gè)空氣壓縮和膨脹實(shí)驗(yàn)得到了相當(dāng)于4.312焦耳/卡的熱功當(dāng)量數(shù)值．

圖2 空氣膨脹和壓縮法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

焦耳從1843年以磁電機(jī)為對(duì)象開(kāi)始測(cè)量熱功當(dāng)量，一直到1878年最后一次發(fā)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果，先后做了400多次實(shí)驗(yàn)，采取了各種涉及到了不同原理的方法，殊途同歸，以日益精確的數(shù)據(jù)，為熱和功相當(dāng)性提供了可靠的證據(jù)，為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)支持．焦耳在熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)之中采用了多種不同的方法，這里當(dāng)然包含了豐富的創(chuàng)新元素．但是，就焦耳的出發(fā)點(diǎn)而言，他并不是為了所謂的創(chuàng)新，而是為了能夠得到更為精確的當(dāng)量數(shù)值．除此之外，采用不同的方案，焦耳還有另外一層考慮，那就是希望借此證明功與熱之間等價(jià)性的普適性，因?yàn)樗冀K堅(jiān)信宇宙是和諧的、統(tǒng)一的這一哲學(xué)觀點(diǎn)．

3 焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的歷史啟示與現(xiàn)實(shí)啟示

焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確測(cè)定，為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．回歸焦耳整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，啟示良多．

第一，興趣是科學(xué)家從事專(zhuān)注科學(xué)研究的重要?jiǎng)恿υ粗唬苟軌驁?jiān)持30多年的時(shí)間，用400多個(gè)實(shí)驗(yàn)做同一個(gè)研究，其對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣是支持下不懈地工作下去的重要因素．

第二，注重思想觀念引領(lǐng)，體現(xiàn)科學(xué)的堅(jiān)持精神和堅(jiān)韌品質(zhì)．能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的獲得，是在宇宙是和諧的、統(tǒng)一的、簡(jiǎn)單的，自然界規(guī)律是可知的思想觀念指引下實(shí)現(xiàn)的．同樣也是這樣的思想觀念，引領(lǐng)焦耳不惜用30多年的時(shí)間，做了400多次同一目的的實(shí)驗(yàn)．

第三，善于嘗試不同的實(shí)驗(yàn)方法，大膽進(jìn)行自我革新和自我創(chuàng)新提升．焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)一共做了400多次，涉及的實(shí)驗(yàn)方案和原理種類(lèi)繁多，即便是同一個(gè)方案之中，也會(huì)采用不同的材質(zhì)進(jìn)行相互的對(duì)比，以尋求最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．顯然，焦耳這樣做不僅是為了得到更加精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，更是一種了不起的自我革新和自我創(chuàng)新精神的體現(xiàn)．