焦耳与能量守恒和转化定律

邓明棋

对于初中生而言，英国物理学家焦耳（如图1）算是“老熟人”了，从机械功到电功，从热到能，这些物理量都是用“焦耳（J）”作为国际单位的。

焦耳1818年出生于英国的一个啤酒厂厂主家庭，从童年时代起，焦耳就在家里接受父母的启蒙教育，后来父亲把年近70的著名化学家道尔顿请到家中，给16岁的焦耳当家庭教师，指导他学习初等数学、自然哲学和化学。从1837年开始，焦耳对物理学产生了浓厚的兴趣，随后不断在物理学方面取得了卓越成就。

19世纪中叶正值“永动机”热风行整个欧洲，许多有才华的科学家都幻想能制造出“永动机”（指不消耗能量，却能永远做功的机器），焦耳也曾深陷此道，他通宵达旦地冥思苦想，设计方案，制作机件，但是没有一次是成功的。为什么看来好像无懈可击的设计，并不能让机器“永动”呢？焦耳意识到“永动机”是不可能制成的，他认定，“永动机”不可能制成的背后，一定存在着一条自然的普遍规律。

1840年，焦耳发表了论文《论伏打电所产生的热》，提出了他经过多次实验发现的一条定律：将通电的金属丝放入水中，水会发热，通过精密的测试发现，通电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比，这就是著名的焦耳定律（Q=PRt），随后，他又发现无论化学能、电能所产生的热都相当于做了一定的功，1845年，他带上自己的实验仪器及报告参加在剑桥举行的学术会议，他当场做完实验并宣布：自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力（能），总得到相当的热，听到这个结论，台下那些赫赫有名的大科学家纷纷摇头，连法拉第也说：“这不太可能吧，”更有一个叫威廉，汤姆孙的教授非常不礼貌地当场退出会场。

焦耳并没有把人们的不理解放在心上，他回家继续做着实验。两年后，他带着自己新设计的实验又来到英国科学协会的会议现场，焦耳一边当众演示他的新实验，一边解释：“你们看，机械能是可以定量地转化为热的，反之，热也可以转化为功……”突然，台下有人大叫道：“胡说，热是一种物质，他与功毫无关系。”说这话的人正是汤姆孙，焦耳非常冷静地回答到：“热不能做功，那蒸汽机的活塞为什么会动？能量要是不守恒，‘永动机为什么总也造不成？”焦耳平淡的几句话顿时让全场鸦雀无声，台下的教授们不由得认真思考起来。

汤姆孙碰了钉子后，也开始思考起来，他开始做实验，找资料，终于发现的确是自己错了。于是，他带上自己的实验成果去找焦耳，请焦耳共同探讨这个发现，看着焦耳实验室里各种自制的仪器，他深深为焦耳的坚韧不拔而感动。他说：“真的对不起，过去，我们这些人给了您多大的压力呀，请您原谅，一个科学家在新观点面前有时也会表现得很无知。”一切都变得光明了，两人并肩而坐，开始研究起实验来。

1853年，两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变，能量守恒和转化规律作为自然界的普遍规律，成为全部自然科学的基石。

焦耳是一位靠自学成才的科学家，曾被英国皇家学会授予科普利奖章，后人为了纪念他，把能量（或功）的单位命名为“焦耳”。

责任编辑 程哲