焦耳的实验装置1845年

A. 焦耳热功当量实验的证明能量守恒和转换定律的基础性实验

J.P.焦耳从1840年起，持续几十年时间，用电量热法和机械量热法，做了大量实验，得出结论：热功当量是一个普适常数，同作功方式无关。从而证明了机械能(功)和电能(功)同热量之间的转换关系；论证了传热是能量传递的一种形式；为确认能量守恒和转换定律的正确性打下了坚实的实验基础。1840年焦耳发现，导体内通以稳定电流后，产生的热量Q同电流强度I的二次方、导线电阻R及通电的时间t成正比，即同电流所作的功W 成正比
W=JQ。
比例系数J表示产生1卡热量所需作的功，称热功当量。其实验装置之一如图1所示：容器由绝热壁构成，电流作功使水的内能增加，从而水温升高。用温度计可测出温差ΔT。使用简单定义的使 1克水温度升高1摄氏度所需热量作为量热单位（卡），则水的比热容为c=1cal/(g·℃)，当知道水的质量m后，即可由Q=сmΔT确定所传递的热量同电流所作的功W 间的关系式(W=JQ)，并定出热功当量J。这种测量热功当量的方法叫电量热法。
焦耳还用机械量热法来测定热功当量。图2是1845年他使用的实验装置的示意图。重砝码缓慢匀速下降，带动轮轴和转轴使翼轮搅拌水，功转变为热，使水温升高。由温度计测出搅拌前后水的温差而算出热量Q。转变为热能的机械功W可由砝码下降的距离算出。由W=JQ公式又可测定热功当量。焦耳测定热功当量的实验是在英国曼彻斯特进行的，其结果是使1磅水升高1华氏度需作功772英尺磅，这相当于1卡=4.157J。
国际公认的精确值是
J=4.186 8J/cal=4.184 0J/calth
其中cal和calth分别表示国际蒸汽表卡和热化学卡。
国际单位制中已经规定热量的单位为焦耳，卡暂时仍作为同焦耳并用的单位。热功当量这个词也将逐渐被废除，但焦耳热功当量实验的历史意义，将是永存的。

B. 焦耳热功当量实验的实验背景

在19世纪40年代，“热质说”风行一时，焦耳认为热质并不存在，热是能的 一种形式，为此他做了大量实验。1840年以后，焦耳多次发表文章，先后介绍了四种测定热 功当量的方法，其中之一就是用通电金属丝放在水中加热。根据电流做的功和水获得的热量 来计算当量。
他发现：通电导体所产生的热量，跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成 正比。这就是后来以他的名字命名的焦耳定律。在测定热功当量的实验中，最著名的是1845 年发表的用摩擦加热液体的实验，也就是焦耳热功当量实验。