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；為確認能量守恒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后，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后，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)，并定出熱功當量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。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后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，這相當于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并用的單位。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。2100433B

在19世紀40年代，“熱質說”風行一時，焦耳認為熱質并不存在，熱是能的 一種形式，為此他做了大量實驗。1840年以后，焦耳多次發表文章，先后介紹了四種測定熱 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。這就是后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。

焦耳在電機線圈的轉軸上繞兩根細線，分別跨過相距27"_blank" href="/item/定滑輪/5088499" data-lemmaid="5088499">定滑輪后垂掛幾英磅重的砝碼。線圈浸在量熱器的水中。由砝碼下落距離可算出機械功大小，由水溫變化可算出熱量多少。

1843年他得到熱功當量為4.511焦耳/卡(現代公認值為4.187焦耳/卡)。后經改進實驗，他又得到熱功當量為4.145焦耳/卡。1849年他對各種測定數據進行分析，得到數值為4.154焦耳/卡的結論。

焦耳實驗是1850年焦耳首先測定熱功當量的實驗。

盛在絕熱容器內的水，由于砝碼的下落帶動槳葉旋轉。而使水溫升高。如果砝碼下落所作的功為ΔW，使容器中質量為m的水升高溫度為ΔT，那么與ΔW相當的熱量ΔQ應為ΔQ=CmΔT式中C是水的比熱，根據實驗測得的ΔT，可將ΔQ計算出來；ΔW可以根據砝碼的質量和下落的距離算出。根據實驗所得數據。計算所得結果，這就是測熱功當量的焦耳實驗。2100433B

熱功當量背景知識

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系的問題，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。

熱功當量個人履歷

焦耳（James P. Joule，1818年—1889年），英國物理學家。是最先用科學實驗確立能量守恒和轉化定律的人。1818年12月24日焦耳出生于英國曼徹斯特的索福特，他的父親是一個釀酒廠主。焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動，沒有受過正規的教育。

青年時期，在別人的介紹下，焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導。焦耳向他虛心學習了數學、哲學和化學，這些知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教會了焦耳理論與實踐相結合的科研方法，激發了焦耳對化學和物理的興趣。

熱功當量入門經歷

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，但由于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。

熱功當量試驗過程

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。四年之后，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于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-楞次定律以后，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系，經過反復的實驗、測量，焦耳終于測出了熱功當量，但結果并不精確。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1千卡的熱量相當于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系的研究，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，并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（后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。這一現象后來被稱為焦耳-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，焦耳并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，然后讓下降重物帶動葉片旋轉，由于葉片和水的摩擦，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，他已前后用各種方法進行了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