گرما و انرژي مکانيکي

    اولين ماده ‏اي كه ظرفيت گرمايي ويژه آن اندازه گرفته شد چه بود و اين كار چگونه انجام پذيرفت؟
    نكته مهم در مسير تكامل دانش گرما و ترموديناميك اين است كه گرما تا مدت‏ها به عنوان صورتي از انرژي در نظر گرفته نمي‏شد. بلكه گرما به عنوان مايع و يا سيالي (بي جرم به نام کالري) فرض مي‏شد كه بر اثر اختلاف دما از جسمي به جسم ديگر منتقل مي‏گردد.
    به هر ترتيب، بايستي گرما (Q) به روشي در رابطه اندازه‏گيري شود، زيرا بدون تعريف گرما بدست آوردن مقدار ظرفيت گرمايي ويژه بي‏معني خواهد بود. براي خارج شدن از اين بن بست فرض ساده‏اي، مشكل را حل نمود بدين ترتيب كه C را براي آب يك درنظر گرفتند و بدين ترتيب گرما (Q) تعريف شد. واحد گرما در اين سيستم، كالري است و مقدار آن بدين صورت تعريف گرديد:
    يك كالري مقدار گرمايي است كه اگر به يك كيلوگرم آب داده شود دماي آن را يك درجه سلسيوس بالا ببرد.

امّا چه رابطه‏اي بين انرژي گرمايي و ساير انرژي‏ها برقرار است؟ مقدار گرما را چگونه مي‏توان بر حسب ژول اندازه گرفت؟
    اگر جوابي كه به اين سؤال مي‏دهيد بدين صورت است كه: "مقداري انرژي (مكانيكي - الكتريكي و ...) كه بر حسب ژول قابل اندازه‏گيري است به مقدار معيني آب مي‏دهيم و افزايش دماي آب را اندازه مي‏گيريم

    سپس از رابطه، ظرفيت گرمايي ويژه آب را بدست مي‏آوريم". اين جواب درست است ولي بايستي ديد كه آزمايش و طرح شما تا چه اندازه قابل انجام است. ما در اينجا آنچه در تاريخ علم رخ داده است را بيان مي‏كنيم. قبل از هر چيز به دو مورد زير توجّه کنيد.
    در اواخر قرن نوزدهم "بنيامين تامسن" متوجّه شد كه در هنگام سوراخ كردن لوله توپ، مقدار زيادي گرما توليد مي‏ شود. بعدها وي با وارد كردن توپها در آب و اندازه‏گيري افزايش دماي آن (و تكرار اين آزمايش) به نسبت تخميني خوبي بين گرما و كار دست يافت. البته تا آن زمان گرما را يك سيال به نام کالري مي‏دانستند.

    نيم قرن بعد "جيمز ژول" آزمايشهاي متنوعي انجام داد كه مشهورترين آن دستگاهي همانند شكل زير است. در اين دستگاه كار انجام شده در حين سقوط وزنه‏ها باعث حركت پرها و به تلاطم افتادن آب شده و در نتيجه آب گرم مي‏گردد. اگر عايق بندي دستگاه خوب باشد آنگاه تمام انرژي مكانيكي در حين سقوط به انرژي گرمايي تبديل مي‏گردد. از طرفي افزايش دماي آب نيز توسط دماسنج با دقت زياد قابل اندازه‏گيري است.

    بر اين اساس مي‏توان رابطه بين ژول (واحد انرژي) و كالري (واحد گرما) را بدست آورد.
 بنا به تعريف مي‌دانيم كه براي افزايش دماي يك كيلوگرم آب به اندازه ١ (با واحد كالري) ١٠٠٠cal گرما نياز است و از طرفي ديگر با انجام آزمايش‌هاي زياد مشاهده مي‌کنيم که اگر بخواهيم دماي يك كيلوگرم آب را ١ بالا ببريم بايستي ٤٢٠٠ ژول كار مكانيكي انجام دهيم. بنابراين يک کالري برابر ٢/٤ ژول است و ظرفيت گرمايي ويژه آب كه برابر فرض شده بود بر حسب  برابر٢/٤ خواهد بود.