当时的困境
十九世纪四十年代,热的正统解释是「热质」:一种没有重量、不可创造也不可消灭的流体,从热的物体流向冷的物体。这个理论并不愚蠢——它能解释热传导、热平衡、比热,甚至卡诺就是在热质框架下写出了热机效率的上限。
它有一个说不通的地方:摩擦。1798 年伦福德在慕尼黑的兵工厂里镗炮筒,发现只要马还在转,热就源源不断地出来,一直到把水烧开。热质派的标准解释是:金属被钻碎后热容量变小,把藏着的热质「挤」了出来。伦福德先把这条堵死——钻屑和锯下的薄片比热一样,都是 0.1100。那么,如果热是一种守恒的流体,铜炮筒里怎么可能藏着无穷多的热质?他的结论是:能无限供给的东西不可能是物质,他想不出除了运动还能是什么。
第二年,二十岁的戴维给出了一个更漂亮的版本:在抽空的容器里用钟表机构让两块冰互相摩擦,冰融化了。既然冰里不可能藏着多余的热质,那化冰的热就只能是摩擦本身造出来的。这个实验其实站不住——后人按他描述的条件重复不出来,环境与装置漏进的热足以把那点冰化掉,不需要摩擦;戴维本人后来对这篇少作评价也不高。但两个实验指向同一个方向:热不是一种东西,是一种过程。
但推翻一个理论和建立一个新理论是两回事。要说「热是运动的一种形式」,就必须回答一个定量的问题:多少运动,换多少热?没有这个数字,「热是运动」只是一句哲学。
洞见时刻
回答这个问题的人不是大学教授,是曼彻斯特一家啤酒厂的老板。
这个身份是整件事的关键。酿酒是一门靠温度吃饭的生意:发酵差上一点,一整批酒就毁了。要精确到什么程度,酒厂比当时多数实验室更清楚。
他关心的最初是个生意问题:电动机能不能取代蒸汽机。为此他从 1840 年起测电流生热,得到 。接着他换了各种方式往水里灌能量:电流、压缩气体、迫使水通过细管,每一种都得到同一个换算数字。
1845 年他做出了那个进教科书的版本。一桶水,水里一副桨轮,桨轮由绳索连着一个重物。重物下落做的功可以由重量乘高度精确算出;水温上升多少,靠温度计读。
难处全在最后一步:水温只升高零点几度。他自制的温度计读得出 1/200 华氏度,那在当时近乎不可思议——而这门手艺正是酒厂逼出来的。
数字出来了:一定量的功,总是换出同样多的热,和用什么方式转换无关。热不是流体,是运动的另一种形式;而且功与热之间有固定汇率。
第一个把汇率印出来的,其实不是他。 1842 年 5 月,海尔布隆的医生迈尔在《化学与药学年鉴》上发表了一篇八页的短文,没做实验,而是拿现成的空气比热来算:空气在定压下加热要比定容时多吃一点热,因为它得推开外面的大气;把这多吃的热全部算作推大气的功,就得出一个重物从约 365 米落下所做的功,等于把同重的水升温 1 度——今天的值约 427 米。焦耳那时并不知道这篇文章。1848 年迈尔向巴黎科学院声明优先权,焦耳次年回信说,在他的实验之前,没有事实能证明迈尔所依赖的那个假设——气体压缩放出的热恰好等于压缩所做的功;谁都会欣赏迈尔的睿智,但第一个用实验证明并定出这个汇率的是他自己。迈尔则回答,盖-吕萨克 1807 年的自由膨胀实验早已支持了那个假设。两人对「什么才算发现」的看法不同,这场争执到 1860 年代又在英国重燃了一轮。
焦耳后来回头读伦福德的论文,发现那里其实藏着一个粗略的汇率:伦福德说那台机器一匹马就拉得动,按瓦特的马力值折算,两个半小时的功把 26.58 磅冰水烧开,相当于每磅水升高 1 华氏度要约 1034 英尺·磅。伦福德自己没算这一步;焦耳 1850 年替他算出来,与自己的 772 并列,并指出伦福德的数偏大,正可以用伦福德声明没计入的那部分散热来解释。
涟漪效应
学界起初没听。1843 与 1845 年他两次在学会年会上报告,两次都是冷场:一个啤酒商在自家地下室里量出的零点几度,凭什么推翻整套热质学说?
转折在 1847 年的牛津年会。主持人只给了他很短的时间,让他简单说说。台下坐着二十二岁的威廉·汤姆孙——后来的开尔文。汤姆孙起初并不相信,却听出了这件事的分量,散会后追上去接着问。这场对话开启了两人几十年的合作,也把焦耳的结果送进了主流。
有了固定汇率,各个物理学分支之间才第一次有了公共账本。亥姆霍兹 1847 年把力学、热、电、磁、化学能全部纳入这本账,写成能量守恒定律;克劳修斯与开尔文再把卡诺那条效率上限接上去,热力学第一定律和第二定律成型。1852 年焦耳与汤姆孙又一起发现了气体节流膨胀时的降温效应,这条效应后来变成了工业上液化空气、液化天然气和家用制冷的原理。
如果没有它
看任何一份食品包装,上面印着千焦;任何一件电器的铭牌上写着瓦特,而一瓦特就是每秒一焦耳。国际单位制里能量的单位叫焦耳,纪念的就是这位酿酒人。
更实际的是:正因为功与热有固定汇率,工程师才能在造出机器之前就断言一台设备最多能做到多少。而每一台电脑、每一颗芯片发的热,算的仍然是他 1840–41 年用文字给出、今天写成 的那条定律——大型数据中心还要另花一大笔电费,专门把这些热搬走。