转化率

不到100年前，从新线索引发出了热是一种能量的概念，这是迈尔的猜想，焦耳通过实验证明了它。这个巧合很古怪，因为热的性质竟然是由非专业的物理学家确定的，他们仅仅把物理学看成一大爱好。这些人包括多面手苏格兰人布莱克、德国医生迈尔，以及了不起的美国探险家伦福德伯爵，他后来移居欧洲，而且几经辗转成了巴伐利亚战争部长。还有英国啤酒商焦耳，他在空闲时间完成了多个能量转换领域最重要的实验。

焦耳通过实验证实了热是能量的猜想，并确定了转化率。他的结论值得我们仔细研究。

动能和势能一起组成了系统的机械能。在过山车的例子中，我们猜测有部分机械能转化成了热。如果这是正确的，那在这个例子或任何类似的物理过程中，两者之间存在确定的转化率。这严格来讲是定量问题，但一定数量的机械能能转化成确切数量的热，这是一个相当重要的事实。我们很乐意知道转化率的具体数字，比如说，从已知数量的机械能能得到多少热。

确定这个数字是焦耳的研究内容。他有一个实验的机械和一个钟表特别相似。这个钟的发条包含两个可升降的砝码，可以增加系统的势能。如果这个钟不受其他干扰，就可以看成一个封闭的系统。砝码渐渐落下，钟也慢慢走动。在一定时间后，砝码会到达最低点，钟就停止运行。那能量有什么变化？砝码的势能变成了机械的动能，并渐渐以热的形式消失。

这种机械中的巧妙转化，让焦耳能够测量热的散失，从而得出转化率。在他的装置中（见图1-20），当两个砝码能推动水中的叶轮转动，砝码的势能就变成了可转动部分的动能，从而成为热，提高了水的温度。焦耳测量了温度的变化，而且，他利用已知的水的比热容，计算出水吸收的热量。最终，他总结了以下几个结论：

热是由物体（无论是固态物体还是液态物体）的摩擦产生的，产生的热量总是和消耗的力的值成正比（焦耳说的力指的是能量）。

此外，通过机械力（能量）的转换来得到能够让1磅的水（在真空中称重，并在55℉和60℉之间取值）升高1℉的热量，是由772磅（约合350千克）的物体下降1英尺所产生的。

换句话说，让772磅重的物体在地表上升1英尺的势能，和让1磅水从55℉升至56℉需要的热量是一致的。其后的实验能做到更加精确，但是热功当量是焦耳在他的超前工作中的关键发现。

重要的工作一旦完成，接下来的发展就很迅速了。人们很快就意识到，机械能、热能这些类型，不过是能量诸多形式中的两种。任何能够转化成它们的东西也是能量的一种形式。太阳辐射是能量，因为其中的一部分转化成了地球的热。电流含有能量，因为它能加热金属线，或者让摩托车的车轮转动。煤代表化学能量，燃烧时释放热。自然的每一个事件中，能量都在从一种形式转变为另一种形式，往往都有着固定的转化率。在封闭系统中，从外部影响中分离出来的能量，得到了形式上的转化，从而像物质一样运作。在类似系统中，所有可能形式的能量总和是恒定的，尽管任何一种的数量也许总是在变化。如果把整个宇宙看成一个封闭的系统，那么我们可以和19世纪的物理学家一起自豪地宣称，宇宙的能量是固定的，没有任何能量可以被创造或摧毁。

我们关于物质的两个概念就是质量和能量。两者都服从转换规律：孤立系统无法改变质量或总的能量。物质有质量，但能量是没有质量的。因此，我们有了两个不同的概念和两个守恒规律。这些观念还被认为是严格区分、毫不相关的吗？还是说，这显而易见的、有充分依据的图景已经在更新的进步曙光中发生了改变？它确实变了！这两个概念的更多变化和相对论有关。稍后我们会谈到这一点。