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发信人: zjliu (Robusting), 信区: Science
标  题: 谦逊的焦耳
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jan  5 18:45:20 2003) , 转信

 


十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路，“热质说”在物理学史上统治了一
百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑，但人们一直没有办法解决热
和功的关系的问题，是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决
这一问题指出了道路。
　　焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特，他的父亲是一个酿酒厂主。焦耳自幼跟随
父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著
名的化学家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导。焦耳向他虚心的学习了数学、哲学
和化学，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教诲了焦耳理论与实
践相结合的科研方法，激发了焦耳对化学和物理的兴趣，并在他的鼓励下决心从事科学
研究工作。
    焦耳最初的研究方向是电磁机，他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电磁机
以提高工作效率。1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，并发表了关于这方面的论
文而引起人们的注意。但由于支持电磁机工作的电流来自锌电池，而当时锌的价格昂贵
，用电磁机反而不如用蒸汽机合算。但焦耳从实验中发现电流可以做功，并且产生热量
，这激发了他进行深入研究的兴趣。
　　1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。
通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方
之积成正比。12月焦耳在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出电流通过导
体产生热量的定律。由于不久之后，俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律，该定
律也称为焦耳-楞次定律。
　　焦耳总结出焦耳-楞次定律以后，进一步设想电池电流产生的热与电磁机的感生电流
产生的热在本质上应该是一致的。1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在
铁芯上，用电流计测量感生电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这
个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是机械能转化为电能、电能又
转化为热的结果，整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。
　　上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，焦耳终于测
出了热功当量，但结果并不精确。1843年8月21日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文
《论电磁的热效应和热的机械值》，他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。
他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。
　　1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化，他在这方面取得了许多成就
。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究，焦耳计算出了气体分子的热运动速度
值，从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力
的实质。
    焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉·汤姆逊(后来受封为开尔文勋
爵)共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。1852年
，他们发现当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要
下降。这一现象后来被称为焦耳-汤姆逊效应。这个效应在低温和气体液化方面有广泛的
应用。焦耳对蒸汽机的发展也做出了不少有价值的工作。
　　无论是在实验方面，还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的立场出发，进行深入
研究的先驱者之一。在从事这些研究的同时，焦耳并没有间断对热功当量的测量。
    1847年，焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间
安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的磨擦，水和量热
器都变热了。根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功；根据量热器内水的升高的
温度，就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来
。
　　焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了热功当量的平均值为423.9千克米/千卡。
接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到1878年。这时距他开始进行这一工作
将近四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。
    他在1849年用磨擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克
重米/千卡。一个重要的物理常数的测定，能保持三十年而不作较大的更正，这在物理学
史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量J的值，它比现在J的公认值
——427千克米/千卡约小0.7%。在当时的条件下，能做出这样精确的实验来，说明焦耳
的实验技能很高超的。
    因为焦耳通过实验获得了准确的热功当量的数值，因此常常把焦耳当作发现能量守
恒和转化定律的代表人物。
　　然而，当焦耳在1847年的英国科学学会的会议上再次公布自己的研究成果时，他还
是没有得到支持，很多科学家都怀疑他的结论，认为各种形式的能之间的转化是不可能
的。直到1850年，其他一些科学家用不同的方法获得了能量守恒定律和能量转化定律，
他们的结论和焦耳相同，这时焦耳的工作才得到承认。
　　1850年，焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员，当时他三
十二岁，两年后他接受了皇家勋章。许多外国科学院也给予他很高的荣誉。虽然焦耳不
地进行着他的实验测量工作，遗憾的是，他的科学创造性，特别是在物理概念方面的创
造性，过早地就减少了。
    1875年，英国科学协会委托他更精确地测量热功当量。他得到的结果是4.15，非常
接近目前采用的值1卡＝4.184焦耳。1875年，焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有
过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境，幸而他的朋友帮他弄到一笔每年
200英镑的养老金，使他得以维持中等但舒适的生活。五十五岁时，他的健康状况恶化，
研究工作减慢了。1878年当他六十岁时，焦耳发表了他的最后一篇论文。1878年，焦耳
退休。
　　焦耳活到了七十一岁。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。后人为了纪念焦耳，
把功和能的单位定为焦耳。
　　在去世前两年，焦耳对他的弟弟的说，“我一生只做了两三件事，没有什么值得炫
耀的。”相信对于大多数物理学家，他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意
了。焦耳的谦虚是非常真诚的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪
念碑，并以他的名字命名能量单位，他将会感到惊奇，虽然后人决不会感到惊奇。
 



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