8.轉化率

不到100年前，邁耶（Mayer）猜測了一條新的線索，引出了熱是一種能量的概念。焦耳（Joule）后來用實驗作了驗證。可巧的是，幾乎所有與熱的本性有關的基礎工作都是非專業的物理學家做的，他們僅僅把物理學看成自己的一大愛好，比如多才多藝的蘇格蘭人布萊克、德國醫生邁耶、美國冒險家倫福德（他后來在歐洲生活，擔任巴伐利亞軍政大臣等職務），還有英國的釀酒師焦耳，他在工作之余做了有關能量守恒的幾個最重要的實驗。

焦耳用實驗證實了熱是一種能量的猜測，并且測定了轉化率。我們不妨看看他的成果。

某個系統的動能和勢能合起來構成了它的機械能。在過山車的例子中，我們猜測有些機械能轉化成了熱。如果是這樣，那么在這里以及所有其他類似的物理過程中，兩者之間必定存在著明確的轉化率。嚴格來說，這是一個定量的問題，但一定數量的機械能可以轉變成一定數量的熱，這個事實非常重要。我們想知道用什么數來表示轉化率，也就是說，從一定數量的機械能中可以得到多少熱。

焦耳的研究正是為了測定這個數值。他有一個實驗的機械裝置很像重錘驅動的鐘表。給這個鐘上發條，兩個重錘就升高，從而給系統增加了勢能。如果這個鐘不再受到干擾，便可以視之為一個封閉系統。重錘逐漸下降，發條逐漸走完。一段時間之后，重錘將到達其最低位置，鐘也停了下來。能量發生了什么呢？重錘的勢能轉化為機械裝置的動能，然后以熱的形式逐漸消散。

焦耳巧妙地改變了這種機械裝置，從而能夠測量熱的損耗以及轉化率。在他的儀器中，兩個重錘使一個浸在水中的葉輪轉動。重錘的勢能轉化為運動部件的動能，然后轉化為熱，從而提高了水的溫度。焦耳測量了溫度的改變，并利用已知的水的比熱計算出所吸收的熱量。他把多次實驗的結果總結如下：

1.無論是固體還是液體，物體摩擦所產生的熱量總是正比于所消耗的力（焦耳所說的力是指能量）。

2.要產生可以把（在55華氏度到60華氏度之間的真空中稱量的）1磅水的溫度升高1華氏度的熱量，所需要花費的機械力［能量］可以用772磅的物體在空中下降1英尺來表示。

換句話說，被提升到地面之上1英尺的772磅物體的勢能，等于把1磅水從55華氏度提升到56華氏度所需要的熱量。雖然后來的實驗者做得更精確，但熱功當量本質上是焦耳在其先驅性工作中發現的。

這項重要的工作一旦完成，后來的進步就很快了。人們很快就認識到，機械能和熱能只不過是很多種能量形式中的兩種。任何可以轉化為機械能或熱能的東西也是一種能量。太陽發出的輻射是能量，因為其中一部分變成了地球上的熱。電流有能量，是因為它可以使導線發熱，使發動機的輪子轉動。煤包含著化學能，煤燃燒時，化學能以熱的形式被釋放出來。在每一個自然事件中，都有一種形式的能量以某種確定的轉化率轉化為另一種形式的能量。在一個不受外界影響的封閉系統中，能量是守恒的，因此表現得很像一種實體。在這樣一個系統中，雖然任何一種能量的總量可能在變化，但所有可能形式的能量的總和是恒定的。倘若把整個宇宙看成一個封閉系統，我們就可以和19世紀的物理學家們一道自豪地宣布：宇宙的能量是不變的，它的任何一部分都既不能創生也不能毀滅。

這樣一來，我們就有了兩個實體概念，即物質和能量。兩者都遵從守恒定律：一個孤立系統的質量和總能量都不會改變。物質有重量，而能量沒有重量。因此，我們有兩個不同的概念和兩條守恒定律。現在我們還能認真看待這些觀念嗎？或者說，按照最新的發展，這幅看似有著牢固基礎的圖景是否已經改變了？的確變了！這兩個概念的進一步改變與相對論有關。以后我們還會回到這個問題上來。