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焦耳單位怎么來的 焦耳單位( 二 )

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盡管遭遇到冷遇 ， 焦耳還是不屈不饒的開始尋找一種純機械的 *** 來顯示功和熱之間的轉化 。靠迫使水流過穿孔的圓柱 ， 他能夠測量到輕微的粘滯加熱（viscous heating） 。他測得熱功當量為770 ft·lbf/Btu（4.14 J/cal） 。用電學 *** 和機械 *** 得到的熱功當量值至少在同一數量級上的事實對焦耳來說 ， 是證明熱和功的可轉化性這一事實的有力證據 。
焦耳接著又嘗試了第三條路 。他測量了壓縮空氣所產生的熱量 ， 得到熱功當量的值為823 ft·lbf/Btu（4.43 J/cal） 。這個實驗為焦耳的批評者提供了一個最容易的目標發表各種異議 ， 但最后都被焦耳通過聰明的實驗設計將預期中那些的反對給解決了 。但是他的文章還是被皇家學會拒絕 ， 他不得不改在《哲學雜志》上發表 。在這篇文章中 ， 焦耳直截了當地拋棄了尼古拉·卡諾和克拉佩龍的熱質說 ， 但他的神學的動機也變得很明顯：
我認為這個理論……違反了被認可的哲學原則 。因為它會得出活力可能會因實驗裝置的不正確設置而被銷毀的結論 。因此 ， 克拉佩龍先生得出推論 ， “當火焰的溫度比鍋爐高1000°C到2000°C時 ， 熱量從火爐向鍋爐傳遞時會損失大量的活力 ?！币驗閳孕艢绲牧α渴侵粚儆谠煳镏鞯?nbsp;， 我斷言……任何理論 ， 如果在提出時要求了湮滅的力量 ， 就肯定是錯誤的 。
1845年 ， 焦耳在英國協會的于劍橋舉辦的會議上宣讀了他的論文“論熱功當量”[12] 。在這份論文中 ， 他報導了他最著名的實驗 。通過重物下落時的機械功來轉動一個放置于隔熱水桶中的帶轉槳的轉輪 ， 轉動會使水溫升高 。由此他測得的熱功當量為819 ft·lbf/Btu（4.41 J/cal） 。
1850年 ， 焦耳發表了一個修正的測量值 ， 772.692 ft·lbf/Btu（4.159 J/cal）[13] 。這個值很接近20世紀初期采用的值[14] ， 4.1860 J/cal 。
理論的反響和與開爾文的合作

焦耳單位怎么來的 焦耳單位

文章插圖
焦耳測量熱功當量的裝置的示意圖
最初對焦耳的工作的一些反對是因為他的工作依賴于極端精確的測量 。他聲稱可以將溫度的測量精確到1?200℉（3mK）以內 。這個精度在當時的實驗物理領域是很不尋常的 。不過焦耳的懷疑者可能忘了焦耳在釀酒方面的經歷 。而且他還得到測量儀器 *** 家約翰·本杰明·丹瑟的大力支持 。德國的赫爾曼·亥姆霍茲卻開始熟悉焦耳的工作以及尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾在1842的類似研究 。雖然這兩人在各自發表了自己的工作后都被一直忽視 ， 但亥姆霍茲在1847年結論性的宣布能量守恒定律時承認了他倆的貢獻 。
此外在1847年英國協會于牛津的會議上 ， 焦耳也做了一個報告 ， 當時的聽眾中有喬治·斯托克斯、邁克爾·法拉第 ， 以及當時已經被格拉斯哥大學聘為教授的年輕新人威廉·湯姆森（也就是后來的開爾文男爵） 。斯托克斯“傾向成為一個焦耳主義者”；法拉第雖然心存懷疑但還是“被焦耳的理論所震驚（much struck with it）”；開爾文被迷住了 ， 但還是有所懷疑 。這一年的晚些時候 ， 開爾文與焦耳又在霞慕尼不期而遇 。焦耳當時剛和阿米莉婭·葛萊姆絲在8月18日結婚后來到此地度蜜月 。盡管焦耳還在婚禮的熱情中 ， 他還是和開爾文安排了幾日后去測量色朗契斯瀑布頂部和底部的溫度差 。焦耳認為瀑布沖下時的能量改變 ， 會稍微增加水的熱量與溫度 。但是在大自然下 ， 還有許多其他的因素會影響水溫 ， 所以他們沒有收獲 。
雖然開爾文覺得焦耳的結果需要理論的解釋 ， 但他還后退并為卡諾-克拉佩龍學派辯護 。當開爾文在1848年報導絕對溫度時 ， 他寫到 ， “熱量（或者卡路里）轉化為機械能的效應不太可能且肯定無法證實”[16] 。但是在他的一個腳注里暗示了他的最初的對熱質說的懷疑 ， 他參考了焦耳的“非常讓人印象深刻的發現” 。當焦耳讀到開爾文的一篇文章后寫信給他 ， 聲稱自己的實驗已經顯示了熱量向功的轉化 ， 但還是在準備做更進一步的實驗 。讓人吃驚的是 ， 開爾文沒有回寄給焦耳他自己文章的拷貝 。開爾文在回信中提到 ， 他正在準備自己的實驗 ， 并且希望能調和兩人的觀點 。雖然開爾文在之后的兩年里并沒有進行新的實驗 ， 但他越來越不滿卡諾的理論 ， 轉而相信焦耳的觀點 。在1851的文章里 ， 開爾文愿意做一個折中 ， 承認“整個熱的動能理論是基于……兩個……前提 ， 分別是焦耳和卡諾-克拉佩龍的理論（the whole theory of the motive power of heat is founded on ... two ... propositions, due respectively to Joule, and to Carnot and Clausius）” 。

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