三、热功当量

既然做功和热传递对改变物体的内能是等效的，功和热量都可以用来量度内能的变化，那么功和热量之间就应该有确定的数量关系。

我们在初中学过，热量的单位是卡，使1克水的温度升高1℃所需的热量就是l卡。如果功和热量之间有确定的数量关系，1卡的热量相当于多少焦耳的功？相当于单位热量的功的数值叫做热功当量。历史上第一个用实验来测定热功当量的人是英国物理学家焦耳，他用各种不同的方法测定了热功当量，下面我们介绍其中最著名的一种（图2-2）。

量热器里装着水。重物P和Pʹ下落时带动量热器中的轴转动，轴上的叶片就带动周围的水随着转动。量热器内壁上也固定着叶片，它们的作用是阻碍水的运动，增大摩擦。叶片搅动水做功，使水的内能增加，温度由t1升高到t2。已知每个重物的质量M和落下的高度h，我们可以算出这个功：W＝2Mgh。假定水的内能的增加不是由手做功而是由于热传递的结果，我们也可以算出使水的温度由t1升高到t2所需的热量：Q＝（m1c1＋m2c2）（t2－t1），其中m1，m2，c1，c2分别表示水和量热器的质量和比热。这样，就可以求出热功当量：J＝W/Q。

这个实验焦耳做过多次，测得的热功当量的数值相同。他又用水银代替水，重做上述实验，也得到相同的结果。他还用其他方法来测定，结果仍然相同。焦耳同时代的和以后的许多科学家用不同的方法来测定，结果都相同。热功当量的数值通常可取为

J＝4.2焦/卡。

热功当量的数值的确定，证明功和热量之间存在着确定的数量关系，即1卡＝4.2焦，或者1焦＝0.24卡，这进一步定量地证明做功和热传递对改变物体的内能是等效的。

热量的单位卡，是过去人们对热的本质认识不清楚的情况下规定的。既然功和热量之间有确定的数量关系，那么，功、热量和能量使用相同的单位，是很自然也很合理的。现在，国际单位制中规定它们统一用焦耳作单位，并建议逐步取消卡这个单位。

（1）举出几个实例来说明：做功可以改变物体的内能。

（2）锅炉中盛有150kg的水，由20℃加热到100℃，水的内能增加多少？

（3）一个物体的内能增加了20J。如果物体跟周围环境不发生热交换，周围环境需要对物体做多少焦的功？如果周围环境对物体没有做功，需要传给物体多少焦的热量？

（4）设想在测定热功当量的不同实验中得到的结果并不相同，还能不能得到结论说：做功和热传递对改变物体的内能是等效的？讨论一下这个问题。

（5）在图2-2所示的实验中，已知重物P和Pʹ的质量都是14kg，水的质量是7kg，重物连续从2m高处落下20次后，水的温度升高0.37℃。不考虑传给量热器和外界的热量，试根据这些数据计算热功当量。

发布时间：2015/8/18 下午1:48:44  阅读次数：3201

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