变换率

在不到一百年以前，迈耶（Mayer）做了一个猜想并提出了一个新的线索。这个线索最终引出了热是能的一种形式的观念。焦耳（Joule）后来用实验证实了这个猜想。人们惊奇地发现：几乎所有关于热的本质的基础工作都是由非职业物理学家完成的，他们只是把物理学当作兴趣。这些人中包括多才多艺的苏格兰人布莱克、德国医生迈耶、美国伟大的冒险家拉姆福德（他后来定居欧洲，做了很多事情，其中值得一提的是他成了巴伐利亚的战争部长）。当然还有英国的啤酒酿造师焦耳，他在空闲时间做了几个有关能量守恒的最重要的实验。

焦耳用实验证明了热是能的一种形式，并且确定了变换率。我们现在花点时间来看一下他的实验成果。

一个系统的动能和势能合起来就是它的机械能。在过山车的例子中，我们曾经猜想，有一部分机械能转变成了热能。如果这个猜想正确的话，那么在这个例子以及所有其他类似的物理过程中，这两者之间都应该存在着固定的变换率。严格来说，这是一个定量的问题，但是一定量的机械能可以转变成一定量的热能这个事实是很重要的。我们想知道到底如何用具体的数值来表示变换率，也就是说，从一定数量的机械能当中我们可以得到多少热能。

焦耳进行某项研究的目的就是确定这个数值。他的一个实验装置就像一个带有小锤的钟。给这个钟上发条，两个小锤就会升高，因此这个系统的势能就会增加。如果不再对钟施加任何外部干扰，我们就可以把它当作一个封闭的系统，小锤逐渐下降，钟开始运转起来。一段时间之后，小锤将会落到最低位置，于是钟就停下来了。这个过程中发生了什么呢？小锤的势能转变为装置的动能，并逐渐以热的形式散失了。

焦耳巧妙地改变了这个装置，以便测量出热的损失，进而确定变换率。在他制作的装置中，两个小锤使一个浸在水中的桨轮（图1-19）转动。小锤的势能转变为运动部件的动能，之后动能转变为热，从而使水温上升。焦耳测量了水温的改变，并且根据已知的水的比热算出了水所吸收的热量，他将多次实验的结果总结如下。

1.物体（无论是固体还是液体）摩擦所产生的热量永远与所消耗的力（焦耳所说的力是指能）成正比。

2.产生能够把1磅水（在55华氏度到60华氏度之间的真空条件下称定的）的温度升高1华氏度的热量所需的机械力，也就是能，相当于772磅重的物体从1英尺的高度落下来。

换句话说，772磅重的物体在距离地面1英尺时的势能，就等于把1磅水从55华氏度加热到56华氏度所需要的热量。虽然之后的实验结果会比这个实验结果更准确，但本质上说热功当量是焦耳取得的具有开创性的成果。

这个重要的工作完成后，之后的进展就非常迅速了。人们不久后就认识到机械能和热能只不过是能的两种形式而已，除此之外还有很多其他形式。任何可以转变为这两种能中任何一种的东西，也是能的一种形式。太阳辐射也是能，因为其中一部分转化为热，进入了地球。电流也具有能，因为它可以使金属线发热并使电动机转动。煤具有化学能，煤在燃烧时，这种能就被释放出来了。在自然界的所有现象中，一种形式的能转化为另一种形式的能，它们中间的变换率是确定的。在一个不受任何外界影响的封闭系统中，能量是守恒的，因此和物质很相似。在这样的系统中，尽管其中某种形式的能在量上会发生变化，但是各种形式的能的总和是守恒的。如果我们把整个宇宙看作一个封闭的系统，就可以和19世纪的物理学家一道，自豪地宣布宇宙的能是恒定的。它的任何一部分都既不能被创造又不能被消灭。

我们对于物质的认识涉及两个概念，即物质和能。两者都遵循守恒定律：一个封闭系统的质量和能量都是不变的。物质有质量，而能没有。因此，我们有两个不同的概念和两个守恒定律。我们现在还能跟过去一样严肃地对待这些观念吗？随着发展的不断深入，这些早已经令人信服的认知是否发生了改变呢？已经变了！相对论的出现，使这两个概念进一步变化。之后我们还会再谈到这个问题。 GOZRYoDoLz8d+bUAmKWCVEc8DZ6P4AnknkIB1AhJWrAcedQ5CASbGwPzJFOahjHi