焦耳與能量守恒和轉化定律

鄧明棋

對于初中生而言，英國物理學家焦耳（如圖1）算是“老熟人”了，從機械功到電功，從熱到能，這些物理量都是用“焦耳（J）”作為國際單位的。

焦耳1818年出生于英國的一個啤酒廠廠主家庭，從童年時代起，焦耳就在家里接受父母的啟蒙教育，后來父親把年近70的著名化學家道爾頓請到家中，給16歲的焦耳當家庭教師，指導他學習初等數學、自然哲學和化學。從1837年開始，焦耳對物理學產生了濃厚的興趣，隨后不斷在物理學方面取得了卓越成就。

19世紀中葉正值“永動機”熱風行整個歐洲，許多有才華的科學家都幻想能制造出“永動機”（指不消耗能量，卻能永遠做功的機器），焦耳也曾深陷此道，他通宵達旦地冥思苦想，設計方案，制作機件，但是沒有一次是成功的。為什么看來好像無懈可擊的設計，并不能讓機器“永動”呢？焦耳意識到“永動機”是不可能制成的，他認定，“永動機”不可能制成的背后，一定存在著一條自然的普遍規律。

1840年，焦耳發表了論文《論伏打電所產生的熱》，提出了他經過多次實驗發現的一條定律：將通電的金屬絲放入水中，水會發熱，通過精密的測試發現，通電導體所產生的熱量與電流強度的平方、導體的電阻和通電時間成正比，這就是著名的焦耳定律（Q=PRt），隨后，他又發現無論化學能、電能所產生的熱都相當于做了一定的功，1845年，他帶上自己的實驗儀器及報告參加在劍橋舉行的學術會議，他當場做完實驗并宣布：自然界的力（能）是不能毀滅的，哪里消耗了機械力（能），總得到相當的熱，聽到這個結論，臺下那些赫赫有名的大科學家紛紛搖頭，連法拉第也說：“這不太可能吧，”更有一個叫威廉，湯姆孫的教授非常不禮貌地當場退出會場。

焦耳并沒有把人們的不理解放在心上，他回家繼續做著實驗。兩年后，他帶著自己新設計的實驗又來到英國科學協會的會議現場，焦耳一邊當眾演示他的新實驗，一邊解釋：“你們看，機械能是可以定量地轉化為熱的，反之，熱也可以轉化為功……”突然，臺下有人大叫道：“胡說，熱是一種物質，他與功毫無關系。”說這話的人正是湯姆孫，焦耳非常冷靜地回答到：“熱不能做功，那蒸汽機的活塞為什么會動？能量要是不守恒，‘永動機為什么總也造不成？”焦耳平淡的幾句話頓時讓全場鴉雀無聲，臺下的教授們不由得認真思考起來。

湯姆孫碰了釘子后，也開始思考起來，他開始做實驗，找資料，終于發現的確是自己錯了。于是，他帶上自己的實驗成果去找焦耳，請焦耳共同探討這個發現，看著焦耳實驗室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅韌不拔而感動。他說：“真的對不起，過去，我們這些人給了您多大的壓力呀，請您原諒，一個科學家在新觀點面前有時也會表現得很無知。”一切都變得光明了，兩人并肩而坐，開始研究起實驗來。

1853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉化定律的精確表述：能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，它只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能的總量保持不變，能量守恒和轉化規律作為自然界的普遍規律，成為全部自然科學的基石。

焦耳是一位靠自學成才的科學家，曾被英國皇家學會授予科普利獎章，后人為了紀念他，把能量（或功）的單位命名為“焦耳”。

責任編輯 程哲