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标  题: 焦 耳
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年12月17日19:14:56 星期三), 站内信件

焦 耳 
　　焦耳（James Prescort Joule,1818～1889）英国杰出的物理学家。1818年12月24日生
于曼彻斯特附近的索尔福德。父亲是个富有的啤酒厂厂主。焦耳从小就跟父亲参加酿酒劳
动，学习酿酒技术，没上过正规学校。16岁时和兄弟一起在著名化学家道尔顿门下学习，
然而由于老师有病，学习时间并不长，但是道尔顿对他的影响极大，使他对科学研究产生
了强烈的兴趣。1838年他拿出一间住房开始了自己的实验研究。他经常利用酿酒后的业余
时间，亲手设计制作实验仪器，进行实验。焦耳一生都在从事实验研究工作，在电磁学、
热学、气体分子动理论等方面均作出了卓越的贡献。他是靠自学成为物理学家的。 　　焦
耳是从磁效应和电动机效率的测定开始实验研究的。他曾以为电磁铁将会成为机械功的无
穷无尽的源泉，很快他发现蒸汽机的效率要比刚发明不久的电动机效率高得多。正是这些
实验探索导致了他对热功转换的定量研究。

　　从1840年起，焦耳开始研究电流的热效应，写成了《论伏打电所生的热》、《电解时
在金属导体和电池组中放出的热》等论文，指出：导体中一定时间内所生成的热量与导体
的电流的二次方和电阻之积成正比。此后不久的1842年，俄国著名物理学家楞次也独立地
发现了同样的规律，所以被称为焦耳－楞次定律。这一发现为揭示电能、化学能、热能的
等价性打下了基础，敲开了通向能量守恒定律的大门。焦耳也注意探讨各种生热的自然“
力”之间存在的定量关系。他做了许多实验。例如，他把带铁芯的线圈放入封闭的水容器
中，将线圈与灵敏电流计相连，线圈可在强电磁铁的磁场间旋转。电磁铁由蓄电池供电。
实验时电磁铁交替通断电流各15分钟，线圈转速达每分钟600次。这样，就可将摩擦生热与
电流生热两种情况进行比较，焦耳由此证明热量与电流二次方成正比，他还用手摇、砝码
下落等共13种方法进行实验，最后得出：“使1磅水升高l °F的热量，等于且可能转化为
把838磅重物举高1英尺的机械力（功）”（合460千克重米每千卡）。总结这些结果，他写
出《论磁电的热效应及热的机械值》论文，并在1843年8月21日英国科学协会数理组会议上
宣读。他强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在
某些地方能得到相当的热。这对于热的动力说是极好的证明与支持。因此引起轰动和热烈
的争议。

　　为了进一步说服那些受热质说影响的科学家，他表示：“我打算利用更有效和更精确
的装置重做这些实验。”以后他改变测量方法，例如，将压缩一定量空气所需的功与压缩
产生的热量作比较确定热功当量；利用水通过细管运动放出的热量来确定热功当量；其中
特别著名的也是今天仍可认为是最准确的桨叶轮实验。通过下降重物带动量热器中的叶片
旋转，叶片与水的摩擦所生的热量由水的温升可准确测出。他还用其他液体（如鲸油、水
银）代替水。不同的方法和材料得出的热功当量都是423.9千克重·米每千卡或趋近于423.
85千克重·米每千卡。

　　在1840～1879年焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不
同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。他自
己1878年与1849年的测验结果相同。后来公认值是427千克重·米每千卡。这说明了焦耳不
愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据
。

　　1847年，当29岁的焦耳在牛津召开的英国科学协会会议上再次报告他的成果时，本来
想听完后起来反驳的开尔文勋爵竟然也被焦耳完全说服了，后来两人合作得很好，共同进
行了多孔塞实验（1852），发现气体经多孔塞膨胀后温度下降，称为焦耳－汤姆孙效应，
这个效应在低温技术和气体液化方面有广泛的应用。焦耳的这些实验结果，在1850年总结
在他出版的《论热功当量》的重要著作中。他的实验，经多人从不同角度不同方法重复得
出的结论是相同的。1850年焦耳被选为英国皇家学会会员。此后他仍不断改进自己的实验
。恩格斯把“由热的机械当量的发现（迈尔、焦耳和柯尔丁）所导致的能量转化的证明”
列为19世纪下半叶自然科学三大发现的第一项。

　　焦耳还在气体动理论的其他方面取得一些成果。例如1845年做了气体自由膨胀实验，
发现一般气体的内能是温度与体积的函数，而理想气体的内能只是温度的函数，与体积无
关。1848年10月，焦耳提出：根据热与机械功的相互转化而把热归结为物体内部粒子的动
能以及粒子间的势能；根据赫拉帕司关于气体粒子直线运动的假设，他第一次计算了在 0 
℃和 101 kPa下氢粒子的速度，并得出粒子的速度与温度的二次方根成比例的结论。焦耳
对蒸汽机的发展也作了不少有价值的工作。

　　焦耳科学研究的道路是不平坦的。他在1843年8月21日宣读论文，证实热是一种能量交
换的形式时，一些大科学家都表示怀疑和不信任，多次受到科学界的冷遇。但他以百折不
挠的精神，终于在1850年使自己的科学成果获得了科学界的公认。为了纪念他对科学发展
的贡献，国际计量大会将能量、功、热量的单位命名为焦耳。此外与焦耳名字相联系的有
：焦耳－楞次定律，焦耳气体自由膨胀实验、焦耳－汤姆孙效应、焦耳热功当量实验、焦
耳热等。 　　1889年10月11日焦耳在塞尔逝世，终年71岁。


  
 

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