謙遜的焦耳

謙遜的焦耳

十八世紀，人們對熱的本質的研究走上了一條彎路，“熱質說”在物理學史上統治了一百多年。雖然曾有一些科學 家對這種錯誤理論產生過懷疑，但人們一直沒有辦法解決熱和功的關係的問題，是英國自學成才的物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為最終解決這一問題指出了道路。 焦耳1818年12月24日生於英國曼徹斯特，他的父親是一個釀酒廠主。焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動，沒有受過正規的教育。青年時期，在別人的介紹下，焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導。焦耳向他虛心的學習了數學、哲學和化學，這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教誨了焦耳理論與實踐相結合的科研方法，激發了焦耳對化學和物理的興趣，並在他的鼓勵下決心從事科學 研究工作。

焦耳最初的研究方向是電磁機，他想將父親的釀酒廠中應用的蒸汽機替換成電磁機以提高工作效率。1837年，焦耳裝成了用電池驅動的電磁機，並發表了關於這方面的論文 而引起人們的注意。但由於支持電磁機工作的電流來自鋅電池，而當時鋅的價格昂貴，用電磁機反而不如用蒸汽機合算。但焦耳從實驗中發現電流可以做功，並且產生熱量，這激發了他進行深入研究的興趣。

1840年，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發現：導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。12月焦耳在英國皇家學會上宣讀了關於電流生熱的論文 ，提出電流通過導體產生熱量的定律。由於不久之後，俄國物理學家楞次也獨立發現了同樣的定律，該定律也稱為焦耳-楞次定律。

焦耳總結 出焦耳-楞次定律以後，進一步設想電池電流產生的熱與電磁機的感生電流產生的熱在本質上應該是一致的。1843年，焦耳設計了一個新實驗。將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果，整個過程不存在熱質的轉移。這一實驗結果完全否定了熱質說。

上述實驗也使焦耳想到了機械功與熱的聯繫，經過反覆的實驗、測量，焦耳終於測出了熱功當量，但結果並不精確。1843年8月21日在英國學術會上，焦耳報告了他的論文 《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中說1千卡的熱量相當於460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響，這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。

1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化，他在這方面取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關係的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值，從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定律的基礎，並解釋了氣體對器壁壓力的實質。

焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學家威廉·湯姆遜(後來受封為開爾文勛爵)共同完成的。在焦耳發表的九十七篇科學 論文 中有二十篇是他們的合作成果。1852年，他們發現當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要下降。這一現象後來被稱為焦耳-湯姆遜效應。這個效應在低溫和氣體液化方面有廣泛的應用。焦耳對蒸汽機的發展也做出了不少有價值的工作。

無論是在實驗方面，還是在理論上，焦耳都是從分子動力學的立場出發，進行深入研究的先驅者之一。在從事這些研究的同時，焦耳並沒有間斷對熱功當量的測量。

1847年，焦耳做了迄今認為是設計思想最巧妙的實驗：他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水的升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。

焦耳還用鯨魚油代替水來作實驗，測得了熱功當量的平均值為423.9千克米/千卡。接着又用水銀來代替水，不斷改進實驗方法，直到1878年。這時距他開始進行這一工作將近四十年了，他已前後用各種方法進行了四百多次的實驗。

他在1849年用磨擦使水變熱的方法所得的結果跟1878年的是相同的，即為423.9千克重米/千卡。一個重要的物理常數的測定，能保持三十年而不作較大的更正，這在物理學史上也是極為罕見的事。這個值當時被大家公認為熱功當量J的值，它比現在J的公認值——427千克米/千卡約小0.7%。在當時的條件下，能做出這樣精確的實驗來，說明焦耳的實驗技能很高超的。

因為焦耳通過實驗獲得了準確的熱功當量的數值，因此常常把焦耳當作發現能量守恆和轉化定律的代表人物。

然而，當焦耳在1847年的英國科學學會的會議上再次公布自己的研究成果時，他還是沒有得到支持，很多科學家都懷疑他的結論，認為各種形式的能之間的轉化是不可能的。直到1850年，其他一些科學 家用不同的方法獲得了能量守恆定律和能量轉化定律，他們的結論和焦耳相同，這時焦耳的工作才得到承認。

1850年，焦耳憑藉他在物理學上作出的重要貢獻成為英國皇家學會會員，當時他三十二歲，兩年後他接受了皇家勳章。許多外國科學院也給予他很高的榮譽。雖然焦耳不地進行着他的實驗測量工作，遺憾的是，他的科學 創造性，特別是在物理概念方面的創造性，過早地就減少了。

1875年，英國科學 協會委託他更精確地測量熱功當量。他得到的結果是4.15，非常接近目前採用的值1卡＝4.184焦耳。1875年，焦耳的經濟狀況大不如前。這位曾經富有過但卻沒有一定職位的人發現自己在經濟上處於困境，幸而他的朋友幫他弄到一筆每年200英鎊的養老金，使他得以維持中等但舒適的生活。五十五歲時，他的健康狀況惡化，研究工作減慢了。1878年當他六十歲時，焦耳發表了他的最後一篇論文 。1878年，焦耳退休。

焦耳活到了七十一歲。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。後人為了紀念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。

在去世前兩年，焦耳對他的弟弟的說，“我一生只做了兩三件事，沒有什麼值得炫耀的。”相信對於大多數物理學家，他們只要能夠做到這些小事中的一件也就會很滿意了。焦耳的謙虛是非常真誠的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂為他建造了紀念碑，並以他的名字命名能量單位，他將會感到驚奇，雖然後人決不會感到驚奇。