焦耳的實驗裝置1845年

A. 焦耳熱功當量實驗的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，做了大量實驗，得出結論：熱功當量是一個普適常數，同作功方式無關。從而證明了機械能(功)和電能(功)同熱量之間的轉換關系；論證了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了堅實的實驗基礎。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。
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(W=JQ)，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W=JQ公式又可測定熱功當量。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。
國際公認的精確值是
J=4.186 8J/cal=4.184 0J/calth
其中cal和calth分別表示國際蒸汽表卡和熱化學卡。
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。

B. 焦耳熱功當量實驗的實驗背景

在19世紀40年代，「熱質說」風行一時，焦耳認為熱質並不存在，熱是能的 一種形式，為此他做了大量實驗。1840年以後，焦耳多次發表文章，先後介紹了四種測定熱 功當量的方法，其中之一就是用通電金屬絲放在水中加熱。根據電流做的功和水獲得的熱量 來計算當量。
他發現：通電導體所產生的熱量，跟電流強度的平方、導體電阻和通電時間成 正比。這就是後來以他的名字命名的焦耳定律。在測定熱功當量的實驗中，最著名的是1845 年發表的用摩擦加熱液體的實驗，也就是焦耳熱功當量實驗。