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      新聞報道

      能量守恒定律的發現者——焦耳

      “任何的機械能量釋出,最后都將轉換為熱量,能量不滅的法則有上帝的許可證,這是大自然最重要的法則之一。”——詹姆斯·普雷斯科特·焦耳
       
      發現熱的本質
       
      “熱”是什么?自古,人們就知道,鑄鐵時候將鐵加熱,然后丟入冷水中,水就會自然變熱,但是人們并不清楚鐵器上的熱,為何會傳到水中。
       
      自18世紀,科學家開始了對“熱”的探索。伯努利將“熱”稱為“卡路里”,認為它是一種流體,無色、無味、無重量,且能由一個物質移動到另一個物質。
       
      在老師道爾頓的指導下,年輕的釀酒廠老板焦耳開始了對“熱”的研究。“熱”這個難以捕捉的物質,如何證明它的存在,如何計量?焦耳的探索從一系列實驗開始。
       
      電流能產生熱,是焦耳的第一個發現。1840年,焦耳把環形線圈放入裝水的試管內,測量不同電流強度和電阻時的水溫。他發現:導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。
       
      在接下來的10年中,焦耳進行幾十個不同的實驗來證明化學與熱量間的轉換和定量。其中,他特別關注熱能與機械功間的轉換,并測出了并不十分準確的熱功當量值。但這個研究沒有得到科學界的重視,焦耳依然堅守自己的研究方向,并發表了言論稱“任何的機械能量釋出,最后都將轉換為熱量,能量不滅的法則有上帝的許可證,這是大自然最重要的法則之一。”這就是后來科學史上非常著名的“能量守恒定律”的基礎。
       
      1847年,29歲的焦耳改進實驗,設計出更巧妙、簡單的實驗裝置:他在高度隔熱的圓筒水槽裝滿了水,水槽里安上帶有葉片的轉軸,然后讓連接轉軸的鋼捶自由下降,并帶動葉片旋轉。由于葉片和水的摩擦,水和量熱器都變熱了。將溫度的改變與水的比熱相乘后,焦耳發現,單位機械做功所產生的熱量是一個定值,稱之為熱功當量(J)。
       
      自此,“熱”由傳統的“卡路里”變為“能量”,成為近代科學一個極大的突破。
       
      最早提出世界能源危機
       
      1843年,焦耳以蒸汽引擎為研究對象,他發現蒸汽引擎所產生的熱量,換算成做功的機械能量后,機械能量竟然僅僅是引擎實際做功的十分之一,也就是說蒸汽引擎90%的作功能量是以熱的形式浪費掉了。
       
      焦耳的研究報告招致工業界長期的攻擊,甚至到1860年仍有人批評:焦耳只會用引擎作實驗,卻無法制造更高效率的引擎。焦耳對這一切的攻擊都未答辯,他注意的是人類更長遠的危機——能源枯竭。
       
      引擎的做功效率只有十分之一,這一結果引起了焦耳對能源使用效率的擔憂。他計算了英國的煤蘊藏量,并推算在1965年,英國就會無煤可用,并建議英國要不斷地尋找取得能源的新方式。
       
      此外,焦耳以先知的直覺,用能量的觀點去描述各種物理現象。他提出“電、磁、光、聲波、化學反應,是不同形態的能量。因此,根據能量的理論,物理的世界可以更單純的表達出來。”
       
      此外,神秘的宇宙能量也被焦耳解釋清清楚楚。焦耳仔細地計算了隕石在大氣摩擦中產生的熱,他發現地球上空大氣層的厚度,剛好能提供足夠的摩擦阻力,將大部分的隕石化成灰塵,保護地球上的生命。于是,他寫道:“這個大自然,機械、化學與生物能量在時、空上不斷地互相影響著,但是宇宙仍然維持著秩序,并且清楚、確實地運轉。不管其間有多少能量復雜的變化,宇宙仍是穩定和諧的。”
       
      1889年10月11日,焦耳在索福特逝世。后人為了紀念焦耳,把功和能的單位定為焦耳(J)。

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      鏈接:為何全球變暖? 
       
      全球氣候變化問題往往是從能量守恒的角度來研究的。
       
      政府間氣候變化專門委員會(IPCC)于2007年發表的第四次評估報告中明確,人為排放溫室氣體對全球氣候有增暖作用。簡而言之,人為排放的溫室氣體阻止了地球向外釋放能量。就像一個旅店多了一個堵在門口不讓旅客離開的保安,如果進來的旅客數量變化不大,整個旅館的旅客必然會越來越多。
       
      也有專家用能量平衡理論來解釋為何全球變暖背景下某些地區還會出現寒冬。按照全球能量守恒的定理,大氣環流造成某一個地區溫度特別高,那么另一個地區的溫度要相對應的低。因此,在全球變暖的環境下,溫度偏高的地區要多于溫度偏低的地區,但是也有些地區氣溫異常偏低。 
       
      鏈接:人體的運動極限 
       
      在現代撐竿跳比賽中,能量守恒定律大有用處。
       
      如果把手中的撐竿當作一個“能量轉換器”——將水平方向助跑的動能轉換為一定高度的重力勢能,那么玻璃纖維竿(一種新型竿)可以對能量進行有效貯存和釋放。當纖維撐桿被壓彎后積蓄了變形勢能,然后將運動員“彈”向空中,等于運動員把水平助跑“掙來的錢”“存入銀行”,接著及時“提取”出來支付垂直上升和跨越橫桿需要付出的“費用”。
       
      但衡量撐竿跳高的極限,不光要計算到地面上水平助跑積蓄的初始能量,還要加上懸空后手臂一挽一推、身體翻轉旋轉而新“掙”來的后續能量。來源:《亮報》

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