Re: [問卦]有沒有能量守恆八卦？

作者: jfsu (水精靈)
標題: Re: [問卦]有沒有能量守恆八卦？
時間: Thu Nov 8 23:03:59 2018

※ 引述《Deltak (藍田五十弦)》之銘言：
: 小弟是假的理組
: 剛剛跟朋友討論到一個問題
: 一台耗油的發電機
: 不管有沒有用電，都是一樣耗油
: 當沒有用電的時候
: 那個產生出的能量跑到哪裡去了？
: (動能變成電能，電能跑哪裡去了？)
: 小弟的朋友是有跟我講了幾個例子
: 但都沒辦法讓假的理組明白
: 有沒有能量守恆的八卦？

說到能量守恆，就來聊聊焦耳的八卦吧。

焦耳（James Prescott Joule, 1818.12.24~1889.10.11），英國物理學家。他注意到
伴隨電流在導線所產生的發熱現象，提出了焦耳定律。之後，他藉由大量的實驗測定了
熱功當量，確認了在一定的關係之下，熱量與功可以互相轉化，從而對能量守恆的發現
做出重大的貢獻。熱量的單位(J)便是以其姓氏命名。

1818年，焦耳出生在英國曼徹斯特附近的索福特（Salford），父親是一位釀酒廠
負責人。由於身體上的缺陷(脊椎問題)，使他的個性自卑內向，害怕與人相處，寧願
宅在家也不要到學校上課。為此，父親請了一位家庭教師在家裡教他。

16歲時，他的父親聘請了當時最著名的原子論創始者道耳吞（John Dalton）作為他的
私人教師。雖然兩年後道耳吞因中風而退休，但與道耳吞的相遇，讓他了解自然科學
的精神，啟發了對科學研究的興趣。

從1837年到1856年之間，焦耳與哥哥自父親手中接手管理家族的釀酒廠，喜愛科學的
他在自家的釀酒廠地下室建造了一間實驗室，進行獨立的科學實驗與研究。

有一次，兩兄弟帶著獵槍，划著船來到一座群山環繞、風景優美的湖上。他們對著山壁
開槍，藉著槍聲的回聲來測量距離。為了讓回聲更大一些，焦耳裝了比平常多三倍的
火藥。按下板機的瞬間，過量的火藥噴出大量火焰還把焦耳的眉毛給燒光了。

還有一次，焦耳想測試動物在受到電擊後的反應。他讓哥哥牽著一匹馬，自己則是從旁
把電流通到馬的身上。通電的瞬間，這匹可憐的馬痛得高舉前蹄，差一點踢爆了哥哥
的頭。沒想到這一試，恐怖感↓ リ①感↑，讓他著了迷，他改找一位釀酒廠的女工
來進行實驗。他要求這位可憐的女工在每一次電流大小不同的電擊後，說明被電的
感覺，這項實驗一直進行到女工失去意識才停止。（危險實驗，請勿模仿！）

雖然初期的實驗大多已失敗收尾，但焦耳從中獲得不少寶貴的經驗與知識。他不曾
退怯，反而完全沉迷於科學實驗的「惡趣味」之中。

趁著家中工廠之便，焦耳開始研究起以電動機是否能代替釀酒用的蒸汽機，來提高工作
效率。他安裝了一台用電池驅動的電動機來進行實驗。結果發現，蒸汽引擎燃燒1磅的
煤所產生的功是電池使用1 磅的鋅的5 倍，遠不如使用蒸汽機划算。

焦耳最初目的雖然沒有達到，但是他從這些實驗注意到電流會產生熱的現象。1840年，
他將不同種類的金屬導線放入水中通電加熱，測量電流強度與水溫的變化。透過多次
的實驗觀察，最後得出了結論：「電流通過導體時所產生的熱量和電流強度的平方、
導體的電阻值與通電時間成正比」，即「焦耳定律」，所產生的熱稱為「焦耳熱」。

由於焦耳未受過正式教育，加上來自鄉下一間默默無聞的釀酒廠小開，他在發表論文
時並沒有引起多少注意，直到一位俄國科學家楞次(Heinrich Lenz)也得出關於電流的
熱效應，焦耳定律才得到肯定。故此，該定律亦稱為「焦耳－楞次定律」。在我們的
生活中也有著大量焦耳定律的應用，例如：電熱水器、電熨斗、電暖器等等，只要
遇到電流的熱效應問題，都是遵循該定律。

在以前，熱只來自化學的燃燒、摩擦或是輻射，「焦耳熱」可說是前所未聞的！
那時大多數科學家對於熱的了解僅是一種無色、無味而且沒有重量的流體—
「熱質」（caloric)。這樣一個「熱質說」（亦稱為卡路里理論（Caloric theory）
解釋了許多熱的現象，如：溫度較高的物體含有的熱質較多、溫度發生變化是因為
物體吸收或放出熱質的結果。

到了18世紀末，熱質說開始受到質疑。1798年，侖福特(Count Rumford)在鑽磨砲管時
，發現銅屑和砲管同樣會變熱。他認為熱不是來自於本身所含的熱質，而是由於鑽頭
與砲管摩擦產生。英國化學家戴維（Humphry Davy）在一個絕熱的封閉環境下，將
兩冰塊互相摩擦，竟然會有冰熔化成水的現象。

這些實驗結果無法用熱質說來解釋為何熱可以源源不絕地產生。雖然如此，熱質說
仍在作垂死掙扎。德國醫生邁爾(Julius Robert von Mayer，1814.11.5－1878.3.20)
自1840年開始陸續發表關於熱的研究論文。他認為熱可以作功，功也可以產生熱，
並提出能量守恆和轉換的概念。

他將第一篇論文寄給德國物理年鑑雜誌。雜誌的總編輯一見到這個年輕人便問：

「馮•邁爾先生，可否先自我介紹一下？」

「My name is Van, I'm a artist
　I'm a performance artist.
　I'm hired for people to fulfill their fantasies,
their deep♂dark♂fantasies. 」

「呃...那你有什麼特長?」
「我腿特長！」

「咳咳...你的職業是？」
「我是一名醫生。」

「醫生？醫生怎麼會到來物理雜誌應徵工作？」
「我是來投稿的。」邁爾自公事包拿出一疊論文放在總編輯桌上，「請務必刊出我
的理論，它一定會顛覆整個科學界！」

「真的嗎！這太棒了！你先把論文留下，我一定會安排刊出。」

待邁爾離開後，總編輯便將論文扔進垃圾桶，並叫來秘書，下次別再讓他進來。

邁爾並沒有閒下來等待消息，他料想自己只是個小醫生，任誰不會相信，便到舉辦
演講，還去參加學術會議。

邁爾：「太陽把能量灑向地球，地球上的植物因此生長，並生出各種化學物質…」

台下的聽眾根本不顧邁爾正在演說，紛紛喊著：

「你在講什麼屁話，不要臉的髒東西，都說謊話！」
「Liar！」
「虧你還是個醫生，先醫治你的腦袋吧！」

其實邁爾所提出的光合作用，之後被俄國科學家季米里亞捷夫(1843-1920)所證實。
這是後話。邁爾的理論不被人理解，他的演說更是乏人問津，他陷入極度的痛苦中，
加上他的兒子過世，周圍的人更是批評:「連自己的孩子也治不好，當什麼醫生！」

一連串的的打擊，讓他終日處在精神崩潰的邊緣。不久，他的診所關門了，身體一天天
瘦弱，脾氣變得暴躁起來。最後，他選擇跳樓自殺，結束一生。

焦耳也在同時期研究能量守恆，在受到道耳吞的鼓勵，加上先前的電學實驗，焦耳開始
思索電能、熱能與力學能之間的轉換關係。為了測量能量之間的轉換，他設計了一個
實驗裝置：一個裝著水的杯子，裡面裝有攪動水的扇葉，扇葉與杯外裝有把手的重錘
裝置相連。

轉動手把，重錘便升高，放開手把後，重錘受重力緩緩下降，同時帶動水裡的扇葉
轉動。扇葉轉動時，會與水產生摩擦，使水溫升高，扇葉的動能轉換成水的熱能。
也就是重錘的重力位能先轉換成扇葉的動能，進而變成水的熱能。

這個實驗的奧義，就是重錘的重力位能（功）是已知的，水獲得的熱量也可以從前後
溫差測得，但是功和熱的單位不同，因此焦耳測出兩者之間轉換的關係，大約為
819 ft•lbf/Btu（也就是1卡約為4.41焦耳）。

焦耳的實驗證實，能量有很多不同的形式，熱只是其中一種，而且能量可以在不同形式
間轉換，但是總能量永遠不變，在這個基礎上逐漸發展出「能量守恆定律」。為紀念
焦耳的貢獻，後人將能量的單位命名為「焦耳」（簡稱為J）。

1847年，焦耳參加了一場由英國科學協會於牛津舉行的會議。

焦耳：「過去，『熱質說』告訴我們，溫度的改變是因為熱質的流出或流入；溫度較高
的物體含有較多的熱質，反之亦然...。今天，我要跟大家報告的是，所謂的熱，那
只不過是一種能量的形式！」

會場內，抱持著熱質說的學者與科學家，他們對於焦耳的發言直搖頭，議論紛紛起來。

「這位釀酒廠的負責人是不是喝醉了？熱量哪裡會和功扯得上關係！」

「貢桌上待久了，自以為是佛祖！以為做一些業餘的科學研究就可以胡說八道？」

更有人毫不客氣地批評道：「你媽知道你在這裡發廢文嗎？」

當時在台下的聽眾裡頭，有一位格拉斯哥大學的年輕教授湯姆生(William Thomson)。
他對於焦耳的理論感到興趣，但仍是有所懷疑。

雖然如此，焦耳並不以為意，回到家後，又繼續進行實驗，做更精密的測量。他不僅
用水來測力學能轉化成的熱能，還換了水銀、鯨魚油與空氣，後來又把熱功當量精確
到4.154 Joul/cal，與現今的標準值4.19 Joul/cal相當接近。

熱功當量的實驗給予熱質說致命的一擊，如同日本知名拳擊漫畫《第一神拳》中肝臟
攻擊般的重拳，熱質說的擁護者只能扔下認輸的白毛巾。從1843年開始，直到1878年
進行最後的實驗，焦耳足足花費了約35年的時間，進行了400多次實驗，毅力實在驚人。

湯姆生回到學校後，便學起焦耳自己動手做起實驗並查閱了科學期刊與書籍。不久，
湯姆生開始改變想法，逐漸支持焦耳的觀點。這開啟了湯姆生和焦耳之間的友誼與
共同合作的大門。當時，焦耳是29歲，湯姆生才23歲，兩人惺惺相惜，情不自禁。

在他們合作的第二年，便提出了「絕對溫度」的概念。此外，他們亦發現了
「湯姆生—焦耳效應」。這是氣體受壓通過窄孔後，發生膨脹降溫的現象，奠定了
現在低溫物理學與冷凍工程的基礎。

湯姆森和焦耳不僅是科學上的合作伙伴，也是好朋友。在湯姆森的回憶錄中提到一則
關於焦耳蜜月旅行的趣事。1847 年，在阿爾卑斯山區旅遊的湯姆森，巧遇了焦耳和
他的新婚妻子艾蜜利雅（Amelia），當時焦耳夫妻正在蜜月旅行。

但焦耳卻帶了一支長達一公尺的巨型溫度計，打算要測量出當地瀑布上、下方水流的
溫度差。幾天後，湯姆森與焦耳一起出現在山區的一個小瀑布旁，進行實驗。

當時焦耳認為瀑布沖下的能量會讓瀑布下方的水溫增加，不過由於瀑布留下來的水都
濺成水花，水又是流動的，因此無法有效的測量到溫度差。雖然如此，這樣的想法卻是
日後的攪拌實驗測定熱功當量的原始構想。

焦耳的新婚蜜月旅行帶著巨型溫度計的舉動可說是前不見古人，後不見來者，還好
被放置play的艾蜜利雅了解焦耳對於驗證科學原理的著迷，並沒有加以阻止。

焦耳過世後，在他的墓碑上頭刻有一組神秘數字11081，呃，錯了錯了，是772.55才對，
這是他在1878 年所測出最準確的熱功當量。


焦耳 漫畫版: 物理萌史 線上科普漫畫
http://physicstory.pixnet.net/blog/category/4071123


reference:
1.科學少年 2016.06
2.中國五千年(數理化通俗演義)
3."On the Mechanical Equivalent of Heat" James Prescott Joule,1850
4.Wiki
5.本月物理史 2009.12
6.ゆゆれゲダゆ
7.Van樣(哲♂學 F@ck you)

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對流血一週仍然不死的生物千萬不能大意……。


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