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?4米的定滑輪後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，由水温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)。後經改進實驗，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。

在19世紀40年代，“熱質説”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。

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係；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。

比例係數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，從而水温升高。用温度計可測出温差ΔT。使用簡單定義的使 1克水温度升高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 間的關係式(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。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，使水温升高。由温度計測出攪拌前後水的温差而算出熱量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。