焦耳熱功當量實驗

　　證明能量守恆和轉換定律的基礎性實驗。

　　J.P.焦耳從1840年起，持續幾十年時間，用電量熱法和機械量熱法，做瞭大量實驗，得出結論：熱功當量是一個普適常數，同作功方式無關。從而證明瞭機械能(功)和電能(功)同熱量之間的轉換關係；論證瞭傳熱是能量傳遞的一種形式；為確認能量守恆和轉換定律的正確性打下瞭堅實的實驗基礎。

　　1840年焦耳發現，導體內通以穩定電流後，產生的熱量Q>同電流強度I的二次方、導線電阻R及通電的時間t成正比，即同電流所作的功W 成正比

W＝JQ。 (1)

比例系數J表示產生1卡熱量所需作的功，稱熱功當量。其實驗裝置之一如圖1所示：容器由絕熱壁構成，電流作功使水的內能增加，從而水溫升高。用溫度計可測出溫差ΔT。使用簡單定義的使 1克水溫度升高1攝氏度所需熱量作為量熱單位（卡），則水的比熱容為c＝1cal/(g·℃)，當知道水的質量m後，即可由Q＝сmΔT確定所傳遞的熱量同電流所作的功W 間的關系式(1)，並定出熱功當量J。這種測量熱功當量的方法叫電量熱法。

　　焦耳還用機械量熱法來測定熱功當量。圖2是1845年他使用的實驗裝置的示意圖。重砝碼緩慢勻速下降，帶動輪軸和轉軸使翼輪攪拌水，功轉變為熱，使水溫升高。由溫度計測出攪拌前後水的溫差而算出熱量Q。轉變為熱能的機械功W可由砝碼下降的距離算出。由式(1)又可測定熱功當量。

　　焦耳測定熱功當量的實驗是在英國曼徹斯特進行的，其結果是使1磅水升高1華氏度需作功772英尺磅，這相當於1卡=4.157J。目前國際公認的精確值是

J＝4.186 8J/cal＝4.184 0J/cal_th， (2)

其中cal和cal_th分別表示國際蒸汽表卡和熱化學卡。

　　現在，國際單位制中已經規定熱量的單位為焦耳，卡暫時仍作為同焦耳並用的單位。熱功當量這個詞也將逐漸被廢除，但焦耳熱功當量實驗的歷史意義，將是永存的。