對焦耳實驗中能量轉化問題的思考

王天宇 鄭永明

（山東省青州一中 山東 青州 262500）

1850年，焦耳完成了著名的測定熱功當量的實驗.如圖1所示，盛在絕熱容器內的水，由于砝碼的運動帶動槳葉旋轉，使水溫升高.通過計算砝碼質量和其運行距離，與水的質量和升高的溫度確定熱功當量.

圖1 機械量熱法裝置示意圖

現在，仍延用焦耳的熱功當量實驗，所有實驗設備、實驗過程不變，只是把容器里的液體全部排出使其充滿了空氣.啟動實驗設備，做到與原來實驗相同的時間，觀察溫度計，溫度計的示數略有上升.隨后把容器里的空氣用真空泵抽出，使容器里呈真空狀態，再次啟動設備，做到與原來實驗相同的時間，觀察溫度計，溫度計的示數沒有變化，溫度沒有升高.反復實驗，結果相同.

用同樣的實驗設備做了相同的實驗，在真空狀態下，槳葉的旋轉并沒有引起溫度的升高，機械做功后轉化成的熱能為零.就是說，機械能在向熱能轉化的過程中是必須有介質參與的，比如水或者空氣；沒有介質參與的熱功當量轉換是徒勞的——機械能憑空消失了——這一點威脅到能量守恒定律.

而且，在焦耳熱功當量的后續實驗過程中發現了一個有趣的現象，處在真空容器中的溫度計顯示的是正常的室溫，而不是零.從分子運動論的觀點看，熱能①目前的教科書一般不用熱能而用內能，即物體內涵的能量，按這種認識，內能不可能脫離物體在其空中獨立存在.我們不這樣認識，故而用熱能而不能內能一詞.的本質是物體內部所有分子的動能之和.處在真空中的溫度計已經接觸不到任何物質分子，但它依然顯示了正常的室溫而不是零.可以肯定，真空中已經沒有了物質分子的存在，那么，熱能來自何處？所以，分子運動論的觀點有待商榷，以布朗運動為代表的分子運動論說明的只是熱能的表象，熱能的本質不止是物質分子或粒子的動能之和，以上現象證明，熱能是可以離開物質（或者是說離開物質的分子或粒子）在真空中獨立存在的.

我們再來看，英籍物理學家倫福德在1798年做的機械功生熱的實驗.

他曾在慕尼黑軍工廠用數匹馬帶動一個鈍鉆頭鉆炮膛（圖2），并把炮筒浸在60°F的水中，他發現，一小時后，水溫升高47°F，兩個半小時后，水開始沸騰.倫福德看到的現象是，只要機械運動不停止，熱就可以不停地產生.因此確定了熱的運動說.機械能轉化成了熱能，但轉化必須是在鋼制鉆頭切削和摩擦鐵制炮膛時產生，在切削和摩擦的過程中，鋼鐵粒子之間堅固的物質結構被改變，從而釋放了熱能.如果同樣的設備，同樣的方式，讓鉆頭只是在水中運行，兩倍的時間，水也不會沸騰；如果同樣的設備，同樣的方式，讓鉆頭在真空中運行就一點也產生不了熱能.因為沒有介質的參與，沒有物質結構被改變，單純的機械做功是徒勞的，只做無用功，不會有熱能釋放.因此，把熱能的本質單純地定義為分子運動是不正確的，那只是表象.相反的過程是，如果要把鐵屑變成炮筒，必須要賦予熱能，熔化后的鋼鐵粒子間又重新建立了原來的物質結構.

圖2 倫福德用鈍鉆頭鉆炮膛圖

結論：沒有介質參與就不能實現熱功當量的轉換；沒有物質結構的改變和變化就沒有熱能產生.

介質是在受到機械運動的沖擊，原有物質結構（比如分子或分子團）被改變的狀況下，釋放出熱能.當然，這是物質最表層的能量釋放，物質深層次的熱能釋放其原因相同，也是因為原物質結構被改變了.像燃燒和爆炸這樣的化學反應，發生在物質的分子或原子之間，釋放的能量要大得多.它們的共同點依然是，物質分子或原子間的結構被改變，釋放熱能.核反應中的能量釋放會更大，結論依然是，物質原子核的結構被改變了，釋放出更大的能量.

結論就是，熱能蘊藏在物質的結構中，以另一種能量形式存在，它就是物質的組成部分.當這種物質結構被改變時，必然有能量的釋放（或吸收）.將來精細的實驗會證實，當熱能釋放（比如燃燒）后，物質也會有微小的質量虧損，等同于核反應中的質量虧損，其虧損的質量m0和釋放的能量E之間存在著簡單的正比關系，直接或間接的符合質能方程

就是說，熱能是可以獨立存在的，具有物質屬性（將來的實驗可以證明熱能具有質量），來源于物質結構.熱能就是物質存在的另一種形式.