8.转化率

不到100年前，迈耶（Mayer）猜测了一条新的线索，引出了热是一种能量的概念。焦耳（Joule）后来用实验作了验证。可巧的是，几乎所有与热的本性有关的基础工作都是非专业的物理学家做的，他们仅仅把物理学看成自己的一大爱好，比如多才多艺的苏格兰人布莱克、德国医生迈耶、美国冒险家伦福德（他后来在欧洲生活，担任巴伐利亚军政大臣等职务），还有英国的酿酒师焦耳，他在工作之余做了有关能量守恒的几个最重要的实验。

焦耳用实验证实了热是一种能量的猜测，并且测定了转化率。我们不妨看看他的成果。

某个系统的动能和势能合起来构成了它的机械能。在过山车的例子中，我们猜测有些机械能转化成了热。如果是这样，那么在这里以及所有其他类似的物理过程中，两者之间必定存在着明确的转化率。严格来说，这是一个定量的问题，但一定数量的机械能可以转变成一定数量的热，这个事实非常重要。我们想知道用什么数来表示转化率，也就是说，从一定数量的机械能中可以得到多少热。

焦耳的研究正是为了测定这个数值。他有一个实验的机械装置很像重锤驱动的钟表。给这个钟上发条，两个重锤就升高，从而给系统增加了势能。如果这个钟不再受到干扰，便可以视之为一个封闭系统。重锤逐渐下降，发条逐渐走完。一段时间之后，重锤将到达其最低位置，钟也停了下来。能量发生了什么呢？重锤的势能转化为机械装置的动能，然后以热的形式逐渐消散。

焦耳巧妙地改变了这种机械装置，从而能够测量热的损耗以及转化率。在他的仪器中，两个重锤使一个浸在水中的叶轮转动。重锤的势能转化为运动部件的动能，然后转化为热，从而提高了水的温度。焦耳测量了温度的改变，并利用已知的水的比热计算出所吸收的热量。他把多次实验的结果总结如下：

1.无论是固体还是液体，物体摩擦所产生的热量总是正比于所消耗的力（焦耳所说的力是指能量）。

2.要产生可以把（在55华氏度到60华氏度之间的真空中称量的）1磅水的温度升高1华氏度的热量，所需要花费的机械力［能量］可以用772磅的物体在空中下降1英尺来表示。

换句话说，被提升到地面之上1英尺的772磅物体的势能，等于把1磅水从55华氏度提升到56华氏度所需要的热量。虽然后来的实验者做得更精确，但热功当量本质上是焦耳在其先驱性工作中发现的。

这项重要的工作一旦完成，后来的进步就很快了。人们很快就认识到，机械能和热能只不过是很多种能量形式中的两种。任何可以转化为机械能或热能的东西也是一种能量。太阳发出的辐射是能量，因为其中一部分变成了地球上的热。电流有能量，是因为它可以使导线发热，使发动机的轮子转动。煤包含着化学能，煤燃烧时，化学能以热的形式被释放出来。在每一个自然事件中，都有一种形式的能量以某种确定的转化率转化为另一种形式的能量。在一个不受外界影响的封闭系统中，能量是守恒的，因此表现得很像一种实体。在这样一个系统中，虽然任何一种能量的总量可能在变化，但所有可能形式的能量的总和是恒定的。倘若把整个宇宙看成一个封闭系统，我们就可以和19世纪的物理学家们一道自豪地宣布：宇宙的能量是不变的，它的任何一部分都既不能创生也不能毁灭。

这样一来，我们就有了两个实体概念，即物质和能量。两者都遵从守恒定律：一个孤立系统的质量和总能量都不会改变。物质有重量，而能量没有重量。因此，我们有两个不同的概念和两条守恒定律。现在我们还能认真看待这些观念吗？或者说，按照最新的发展，这幅看似有着牢固基础的图景是否已经改变了？的确变了！这两个概念的进一步改变与相对论有关。以后我们还会回到这个问题上来。