他如何通过计算热功当量验证能量守恒定律？

问题描述

精选答案

通过测量机械功与热量转换的定量关系，证明能量形式可相互转化且总量守恒。

实验原理与方法

焦耳设计了机械功转化为热能的实验装置（如重物下落带动叶片搅水），通过以下步骤验证：

1. 机械功测量
   计算重物质量与下落高度，得出重力做功数值（公式：功=质量×重力加速度×高度）。
2. 热量计算
   测量水温上升幅度，结合水的比热容与质量，计算产生的热量（公式：热量=质量×比热容×温度变化）。

实验参数	数据示例
重物质量	10kg
下落高度	2m
水温变化	0.5°C
水量	1kg

热功当量计算

焦耳通过多次实验发现，1千卡热量约需4184焦耳机械功，得出热功当量值。该数值表明：

• 机械能与热能存在固定转化比率
• 能量既未凭空产生，也未消失

验证能量守恒的关键逻辑

1. 封闭系统：实验装置隔绝外部能量交换。
2. 定量对应：输入功与输出热量严格相等。
3. 可重复性：不同实验方法（如电磁、机械）均测得相近热功当量值。

此研究为能量守恒定律提供了首个可量化的实验证据，确立能量转换的普适性规律。