摇杯子能加热水吗？ 第1页

当然可以，而且这个想法在物理学史上意义非凡。正是基于这样的理念，焦耳首次测得了水的热功当量，说明了功和热一体两面的关系，更进一步构成了能量守恒定律的基石。

在19世纪之前，热质说在热力学中占主导地位。热质说认为温度的本质是一种不增不减的热质，只能从一种物体转移到另一种物体，其拥趸包括道尔顿、卡诺、拉普拉斯等。计算热量的单位卡路里（Calorie，1克水提升1℃所需要的热量）即来源于热质（caloric）。但显然，摩擦生热就是热质说的一个反例：热可以由功产生。那么，功（单位为牛·米）是怎么转化热（单位为卡）的呢？功与热的转化关系被称为热功当量，焦耳的目的就是测出这一数值。

焦耳的思路，通俗地来说就是搅水使其发热，再计算搅水所做的功与水热量变化的比值。在隔热容器中装满水，用温度计测量其温度的变化。容器中安设有由转轴驱动的的叶轮，用以搅动水流。转轴又由索线连接到重物上，由重力做功驱动其转动。这样，通过精确测量重物的重量和运动距离，就能知道作用于水的功的大小，再与由温度计测得的热量变化相比较，就可求得热功当量。

最终，焦耳在1849年递交给皇家学会的论文中，宣布测得热功当量为1英热＝772.692英尺·磅力，即1卡＝4.155牛·米，这与近一百年后的1941年所测得的热功当量4.1855牛·米/卡，只有7‰的误差。因为他的贡献，热量和功的单位最终归为统一，即焦耳（J）。卡被人为规定为4.184焦耳。

焦耳的一生没有入职于任何大学或者研究机构，可以说是民间物理学家，实验都在自家酿酒作坊中开展。他成功的重要因素，就在于酿酒产业对精密温度控制的需求，焦耳自制的温度计，能够分辨小至0.003℃的区别。除了水之外，他还使用了水银、鲸脂作为实验对象，甚至测量了铁片相互摩擦产生的热量。除了用重物驱动搅拌摩擦外，他还采用了用重物驱动发电机发电，再用电流加热水的方法。这一实验的副产品，就是以其名字命名的焦耳定律：电阻发热量与电流的平方呈正比，与电阻呈正比，与通电时间呈正比。