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能量守恒定律的发现者——焦耳

        发布时间:2017-11-06        


“任何的机械能量释出,最后都将转换为热量,能量不灭的法则有上帝的许可证,这是大自然最重要的法则之一。”——詹姆斯·普雷斯科特·焦耳


发现热的本质

“热”是什么?自古,人们就知道,铸铁时候将铁加热,然后丢入冷水中,水就会自然变热,但是人们并不清楚铁器上的热,为何会传到水中。

自18世纪,科学家开始了对“热”的探索。伯努利将“热”称为“卡路里”,认为它是一种流体,无色、无味、无重量,且能由一个物质移动到另一个物质。

在老师道尔顿的指导下,年轻的酿酒厂老板焦耳开始了对“热”的研究。“热”这个难以捕捉的物质,如何证明它的存在,如何计量?焦耳的探索从一系列实验开始。

电流能产生热,是焦耳的第一个发现。1840年,焦耳把环形线圈放入装水的试管内,测量不同电流强度和电阻时的水温。他发现:导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。

在接下来的10年中,焦耳进行几十个不同的实验来证明化学与热量间的转换和定量。其中,他特别关注热能与机械功间的转换,并测出了并不十分准确的热功当量值。但这个研究没有得到科学界的重视,焦耳依然坚守自己的研究方向,并发表了言论称“任何的机械能量释出,最后都将转换为热量,能量不灭的法则有上帝的许可证,这是大自然最重要的法则之一。”这就是后来科学史上非常著名的“能量守恒定律”的基础。

1847年,29岁的焦耳改进实验,设计出更巧妙、简单的实验装置:他在高度隔热的圆筒水槽装满了水,水槽里安上带有叶片的转轴,然后让连接转轴的钢捶自由下降,并带动叶片旋转。由于叶片和水的摩擦,水和量热器都变热了。将温度的改变与水的比热相乘后,焦耳发现,单位机械做功所产生的热量是一个定值,称之为热功当量(J)。

自此,“热”由传统的“卡路里”变为“能量”,成为近代科学一个极大的突破。

最早提出世界能源危机

1843年,焦耳以蒸汽引擎为研究对象,他发现蒸汽引擎所产生的热量,换算成做功的机械能量后,机械能量竟然仅仅是引擎实际做功的十分之一,也就是说蒸汽引擎90%的作功能量是以热的形式浪费掉了。

焦耳的研究报告招致工业界长期的攻击,甚至到1860年仍有人批评:焦耳只会用引擎作实验,却无法制造更高效率的引擎。焦耳对这一切的攻击都未答辩,他注意的是人类更长远的危机——能源枯竭。

引擎的做功效率只有十分之一,这一结果引起了焦耳对能源使用效率的担忧。他计算了英国的煤蕴藏量,并推算在1965年,英国就会无煤可用,并建议英国要不断地寻找取得能源的新方式。

此外,焦耳以先知的直觉,用能量的观点去描述各种物理现象。他提出“电、磁、光、声波、化学反应,是不同形态的能量。因此,根据能量的理论,物理的世界可以更单纯的表达出来。”

此外,神秘的宇宙能量也被焦耳解释清清楚楚。焦耳仔细地计算了陨石在大气摩擦中产生的热,他发现地球上空大气层的厚度,刚好能提供足够的摩擦阻力,将大部分的陨石化成灰尘,保护地球上的生命。于是,他写道:“这个大自然,机械、化学与生物能量在时、空上不断地互相影响着,但是宇宙仍然维持着秩序,并且清楚、确实地运转。不管其间有多少能量复杂的变化,宇宙仍是稳定和谐的。”

1889年10月11日,焦耳在索福特逝世。后人为了纪念焦耳,把功和能的单位定为焦耳(J)。

 

链接:为何全球变暖?

全球气候变化问题往往是从能量守恒的角度来研究的。

政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2007年发表的第四次评估报告中明确,人为排放温室气体对全球气候有增暖作用。简而言之,人为排放的温室气体阻止了地球向外释放能量。就像一个旅店多了一个堵在门口不让旅客离开的保安,如果进来的旅客数量变化不大,整个旅馆的旅客必然会越来越多。

也有专家用能量平衡理论来解释为何全球变暖背景下某些地区还会出现寒冬。按照全球能量守恒的定理,大气环流造成某一个地区温度特别高,那么另一个地区的温度要相对应的低。因此,在全球变暖的环境下,温度偏高的地区要多于温度偏低的地区,但是也有些地区气温异常偏低。 

链接:人体的运动极限

在现代撑竿跳比赛中,能量守恒定律大有用处。

如果把手中的撑竿当作一个“能量转换器”——将水平方向助跑的动能转换为一定高度的重力势能,那么玻璃纤维竿(一种新型竿)可以对能量进行有效贮存和释放。当纤维撑杆被压弯后积蓄了变形势能,然后将运动员“弹”向空中,等于运动员把水平助跑“挣来的钱”“存入银行”,接着及时“提取”出来支付垂直上升和跨越横杆需要付出的“费用”。

但衡量撑竿跳高的极限,不光要计算到地面上水平助跑积蓄的初始能量,还要加上悬空后手臂一挽一推、身体翻转旋转而新“挣”来的后续能量。

来源:《亮报》2013年2月20日专题版

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