熱功當量
單位熱量功的數量
熱量以卡為單位時與功的單位之間的數量關係,相當於單位熱量的功的數量,叫做熱功當量。英國物理學家焦耳首先用實驗確定了這種關係,將這種關係表示為1卡(熱化學卡)=4.1840焦耳,即1千卡熱量同427千克力·米的功相當,即熱功當量J=427千克力·米/千卡=4.1840焦耳/卡。在國際單位制中規定熱量、功統一用焦耳作單位。
熱功當量
系統化,既功完,傳遞熱量完。系統效效,決。
二功熱轉換系統化完。脫離系統談功熱轉換恰。儘管宏觀反映系統化,熱功功熱簡單論。轉換程,供系統熱量,系統功,際供系統熱量,系統增,系統功,消耗獲量。
功熱當量是熱功當量的倒數,它等於0.24卡/焦耳。
焦耳熱功當量實驗
18世紀,人們對熱的本質的研究走上了一條彎路,“熱質說”在物理學史上統治了一百多年。雖然曾有一些科學家對這種錯誤理論產生過懷疑,但人們一直沒有辦法解決熱和功的關係的問題,是英國自學成才的物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為最終解決這一問題指出了道路。
焦耳
焦耳最初的研究方向是電磁機,他想將父親的釀酒廠中應用的蒸汽機替換成電磁機以提高工作效率。1837年,焦耳裝成了用電池驅動的電磁機,但由於支持電磁機工作的電流來自鋅電池,而鋅的價格昂貴,用電磁機反而不如用蒸汽機合算。焦耳的最初目的雖然沒有達到,但他從實驗中發現電流可以做功,這激發了他進行深入研究的興趣。
1840年,焦耳把環形線圈放入裝水的試管內,測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗,他發現:導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。四年之後,俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果,從而進一步驗證了焦耳關於電流熱效應之結論的正確性。因此,該定律稱為焦耳-楞次定律。
焦耳總結出焦耳-楞次定律以後,進一步設想電池電流產生的熱與電磁機的感生電流產生的熱在本質上應該是一致的。1843年,焦耳設計了一個新實驗。將一個小線圈繞在鐵芯上,用電流計測量感生電流,把線圈放在裝水的容器中,測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的,沒有外界電源供電,水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果,整個過程不存在熱質的轉移。這一實驗結果完全否定了熱質說。
上述實驗也使焦耳想到了機械功與熱的聯繫,經過反覆的實驗、測量,焦耳終於測出了熱功當量,但結果並不精確。1843年8月21日在英國學術會上,焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》,他在報告中說1千卡的熱量相當於460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響,這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。
1844年,焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化,他在這方面取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關係的研究,焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值,從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定律的基礎,並解釋了氣體對器壁壓力的實質。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學家威廉·湯姆孫(後來受封為開爾文勛爵)共同完成的。在焦耳發表的97篇科學論文中有20篇是他們的合作成果。當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時,大多數氣體和空氣的溫度都要下降,這一現象就是兩人共同發現的。這一現象後來被稱為焦耳-湯姆孫效應。
無論是在實驗方面,還是在理論上,焦耳都是從分子動力學的立場出發進行深入研究的先驅者之一。
在從事這些研究的同時,焦耳並沒有間斷對熱功當量的測量。1847年,焦耳做了迄今認為是設計思想最巧妙的實驗:他在量熱器里裝了水,中間安上帶有葉片的轉軸,然後讓下降重物帶動葉片旋轉,由於葉片和水的摩擦,水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度,可以算出轉化的機械功;根據量熱器內水的升高的溫度,就可以計算水的內能的升高值。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。
焦耳還用鯨魚油代替水來做實驗,測得了熱功當量的平均值為423.9千克·米/千卡。接著又用水銀來代替水,不斷改進實驗方法,直到1878年,這時距他開始進行這一工作將近40年了,他已前後用各種方法進行了400多次的實驗。他在1849年用摩擦使水變熱的方法所得的結果跟1878年的是相同的,即為423.9千克·米/千卡。一個重要的物理常數的測定,能保持30年而不作較大的更正,這在物理學史上也是極為罕見的事。這個值當時被大家公認為熱功當量
用電熱法測定熱功當量,以加深學生對熱功當量物理意義的理解。
熱功當量儀
1.用天平稱量出量熱器內筒及攪拌器的總質量m筒。然後向量熱器內筒注入水(或煤油),水的體積占內筒容積3/4左右。用天平稱出筒和水的總質量m,則m水=m-m筒。記入表中。
2.將量熱器內筒放入外筒,電阻絲、攪拌器放入水中,蓋上蓋板,按圖3.11連好電路。讀出量熱器系統初溫t1和室溫t0,均記入表中。
3.將學生電源電壓輸出選擇旋鈕撥至10伏擋或12伏擋,閉合開關同時啟動秒錶記時,並迅速調節變阻器使電流在1.5-2安培左右。以後要隨時觀察電流表和調整變阻器,使電流值保持穩定。通電過程中,不斷輕微攪拌水,以加速熱傳導。讀出電流表和電壓表的示數記入表中。
4.當溫度計示數高於室溫10-15℃時,斷開開關,並同時停止計時。繼續攪拌水並觀察溫度計示數,當其示數最高時,讀出溫度t2。把通電時間t、末溫t2記入表中。
焦耳熱功當量實驗
如圖3.11,設量熱器內筒和攪拌器的總質量為m(由同種材料製成),內盛質量為M的液體,初溫為t。當對電阻絲通電t秒后,液體末溫為t。設通電時電流表、電壓表示數分別為I和U,則通電時間內電流做的功為
W=IUt
(1)量熱器內筒(含攪拌器)及液體的吸熱為Q=(Cm+CM)(t-t)
(2)I、U、t、m、M、t、t均可由實驗測得,則熱功當量
J=W/Q