熱の仕事当量
熱力学における熱の仕事当量とは、1 calの熱量に相当する仕事の量である。
ジェームズ・プレスコット・ジュールは、1843年にはじめて熱の仕事当量を実験により測定した。その測定は、おもりによる重力で電磁石のコイルを回転させ、その結果として発生する誘導電流の発熱を調べるというものであった。この実験により、ジュールは「1ポンドの水の温度を華氏目盛りで1度だけ上昇させることのできる熱量は、838ポンド[のおもり]を鉛直に1フィートの高さまで持ち上げることのできる機械的力に等しいし、それだけの力に転換されうるだろう」との結論を得た。この数値は、J = 4.50 J/cal に相当する(以下、単位はすべて現在の J/cal に換算して記載する)。
ジュールはこの1ヵ月後に別の測定を行い、J = 4.14 J/cal の値を得た。そして、最初に得た値とこの値とを比べて、「機械的力が消費される時にはいつでもそれに厳密に等しい量の熱が得られる」と結論を出し、熱が仕事へ転換できると判断した。ジュールは、両者の値がほぼ等しいと判断したのである。
ジュールは1844年、空気を水中で圧縮・膨張させ、そのときの水の温度変化から熱の仕事当量を求めた(論文としての発表は1845年)。
一般に記号 J で表され、単位は J/cal である。現在、J = 4.1855 J/cal と定められている。
仕事 W と熱量 Q の間には、
W = Q J {\displaystyle W=QJ}
の関係がある。
またこの数値は、摂氏15度における単位のカロリー(cal)とジュール(J)の変換における係数として用いられる。すなわち、 1 cal15 = 4.1855 J である。
熱の仕事当量を求めることは、熱と仕事が変換可能であることを示すもので、のちのエネルギー保存則にもつながる研究であった。