对焦耳实验中能量转化问题的思考

王天宇 郑永明

（山东省青州一中 山东 青州 262500）

1850年，焦耳完成了著名的测定热功当量的实验.如图1所示，盛在绝热容器内的水，由于砝码的运动带动桨叶旋转，使水温升高.通过计算砝码质量和其运行距离，与水的质量和升高的温度确定热功当量.

图1 机械量热法装置示意图

现在，仍延用焦耳的热功当量实验，所有实验设备、实验过程不变，只是把容器里的液体全部排出使其充满了空气.启动实验设备，做到与原来实验相同的时间，观察温度计，温度计的示数略有上升.随后把容器里的空气用真空泵抽出，使容器里呈真空状态，再次启动设备，做到与原来实验相同的时间，观察温度计，温度计的示数没有变化，温度没有升高.反复实验，结果相同.

用同样的实验设备做了相同的实验，在真空状态下，桨叶的旋转并没有引起温度的升高，机械做功后转化成的热能为零.就是说，机械能在向热能转化的过程中是必须有介质参与的，比如水或者空气；没有介质参与的热功当量转换是徒劳的——机械能凭空消失了——这一点威胁到能量守恒定律.

而且，在焦耳热功当量的后续实验过程中发现了一个有趣的现象，处在真空容器中的温度计显示的是正常的室温，而不是零.从分子运动论的观点看，热能①目前的教科书一般不用热能而用内能，即物体内涵的能量，按这种认识，内能不可能脱离物体在其空中独立存在.我们不这样认识，故而用热能而不能内能一词.的本质是物体内部所有分子的动能之和.处在真空中的温度计已经接触不到任何物质分子，但它依然显示了正常的室温而不是零.可以肯定，真空中已经没有了物质分子的存在，那么，热能来自何处？……