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[!--downpath--]焦耳定理的發(fā)覺焦耳定理的發(fā)覺2011年11月03日本知名化學(xué)學(xué)家，十八世紀(jì)，人們對熱的本質(zhì)的研究走上了一條彎路，“熱質(zhì)說”在數(shù)學(xué)學(xué)史上統(tǒng)治了一百多年。似乎曾有一些科學(xué)家對這些錯(cuò)誤理論形成過懷疑，但人們?nèi)匀粵]有辦法解決熱和功的關(guān)系的問題，是日本自學(xué)成才的化學(xué)學(xué)家詹姆斯普雷斯科特焦耳(終解決這一問題強(qiáng)調(diào)了公路。焦耳1818年12月24日生于法國格拉斯哥，他的兒子是一個(gè)釀酒廠主。焦耳自幼追隨母親出席釀酒勞動(dòng)，沒有受過正規(guī)的教育。青年時(shí)期，在他人的介紹下，焦耳認(rèn)識了知名的物理家道爾頓。道爾頓給與了焦耳熱情的教導(dǎo)。焦耳向他誠懇學(xué)習(xí)了物理、哲學(xué)和物理，這種知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎(chǔ)。并且道爾頓教誨了焦耳理論與實(shí)踐相結(jié)合的科研方式，迸發(fā)了焦耳對物理和化學(xué)的興趣。焦耳最初的研究方向是電磁機(jī)，他想將女兒的釀酒廠中應(yīng)用的蒸氣機(jī)替換成電磁機(jī)以提升工作效率。1837年，焦耳裝成了用電瓶驅(qū)動(dòng)的電磁機(jī)，但因?yàn)橹С蛛姶艡C(jī)工作的電壓來自鋅電板，而鋅的價(jià)錢高昂，用電磁機(jī)反倒不如用蒸氣機(jī)合算。焦耳的最初目的似乎沒有達(dá)到，但他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺電壓可以做功，這迸發(fā)了他進(jìn)行深入研究的興趣。
1840年，焦耳把環(huán)型線圈倒入裝水的試管內(nèi)，檢測不同電壓硬度和內(nèi)阻時(shí)的溫度。通過這一實(shí)驗(yàn)，他發(fā)覺：導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的阻值及電壓硬度的平方之積成反比。四年以后，俄羅斯化學(xué)學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而進(jìn)一步驗(yàn)證了焦耳關(guān)于電壓熱效應(yīng)之推論的正確性。因而，該定理稱為焦耳—楞次定理。焦耳總結(jié)出焦耳—楞次定理之后，進(jìn)一步構(gòu)想電瓶電壓形成的熱與電磁機(jī)的感生電壓形成的熱在本質(zhì)上應(yīng)當(dāng)是一致的。1843年，焦耳設(shè)計(jì)了一個(gè)新實(shí)驗(yàn)。將一個(gè)小線圈繞在鐵芯上，用電壓計(jì)檢測感生電壓，把線圈置于裝水的容器中，檢測溫度以估算熱量。這個(gè)電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，溫度的下降只是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果，整個(gè)過程不存在熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全否定了熱質(zhì)說。上述實(shí)驗(yàn)也使焦耳想到了機(jī)械功與熱的聯(lián)系，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測量，焦耳總算測出了熱功當(dāng)量，但結(jié)果并不精確。1843月21日在美國學(xué)術(shù)會(huì)上，焦耳報(bào)告了他的論文《論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》，他在報(bào)告中說1卡路里的熱量相當(dāng)于460千克米的功。他的報(bào)告沒有得到支持和強(qiáng)烈的反響，這時(shí)他意識到自己還須要進(jìn)行更精確的實(shí)驗(yàn)。1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時(shí)的氣溫變化焦耳定律的實(shí)驗(yàn)裝置，他在這方面取得了許多成就。
通過對二氧化碳分子運(yùn)動(dòng)速率與氣溫的關(guān)系的研究，焦耳估算出了二氧化碳分子的熱運(yùn)動(dòng)速率值，從理論上奠定了波義耳—馬略特和蓋—呂薩克定理的基礎(chǔ)，并解釋了二氧化碳對器壁壓力的實(shí)質(zhì)。焦耳在研究過程中的許多實(shí)驗(yàn)是和知名化學(xué)學(xué)家威廉湯姆生（后來受封為開爾文侯爵，既JJ湯姆遜）共同完成的。在焦耳發(fā)表的九十七篇科學(xué)論文中有二十篇是她們的合作成果。當(dāng)自由擴(kuò)散二氧化碳從高壓容器步入低壓容器時(shí)，大多數(shù)二氧化碳和空氣的濕度都要增長，這一現(xiàn)象就是三人共同發(fā)覺的。這一現(xiàn)象后來被稱為焦耳—湯姆生效應(yīng)。無論是在實(shí)驗(yàn)方面，還是在理論上，焦耳都是從分子動(dòng)力學(xué)的立場出發(fā)進(jìn)行深入研究的先驅(qū)者之一。在從事這種研究的同時(shí)，焦耳并沒有間斷對熱功當(dāng)量的檢測。1847焦耳做了迄今覺得是設(shè)計(jì)思想最巧妙的實(shí)驗(yàn)：他在量熱器里裝了水，中間安上帶有莖稈的轉(zhuǎn)軸，之后讓增長重物推動(dòng)莖稈旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榍o稈和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。按照重物下落的高度，可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功；按照量熱器內(nèi)水的下降的氣溫，就可以估算水的內(nèi)能的下降值。把兩數(shù)進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的確切值來。焦耳還用海豚油替代水來作實(shí)驗(yàn)，測得了熱功當(dāng)量的平均值為423.9千克米/卡路里。接著又用水銀來取代水，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方式，直至1878時(shí)距他開始進(jìn)行這一工作將近四六年了，他已前后用各類方式進(jìn)行了四百多次的實(shí)驗(yàn)。
他在1849年用磨擦使水變熱的方式所得的結(jié)果跟1878年的是相同的，即為423.9千克重米/卡路里。一個(gè)重要的數(shù)學(xué)常數(shù)的測定，能保持三六年而不作較大的更正，這在數(shù)學(xué)學(xué)史上也是極為罕見的事。這個(gè)值當(dāng)時(shí)被你們公覺得熱功當(dāng)量J的值，它比現(xiàn)今J的公認(rèn)值——427千克米/卡路里約小0.7%。在當(dāng)時(shí)的條件下，能作出這樣精確的實(shí)驗(yàn)來，說明焦耳的實(shí)驗(yàn)技能是多么的精湛啊！但是，當(dāng)焦耳在1847年的法國科學(xué)學(xué)會(huì)的大會(huì)上再度公布自己的研究成果時(shí)，他還是沒有得到支持，好多科學(xué)家都懷疑他的推論，覺得各類方式的能之間的轉(zhuǎn)化是不可能的。直至1850年，其他一些科學(xué)家用不同的方式獲得了能量守恒定理和能量轉(zhuǎn)化定理，她們的推論和焦耳相同，這時(shí)焦耳的工作才得到承認(rèn)。1850年，焦耳憑著他在數(shù)學(xué)學(xué)上做出的重要貢獻(xiàn)成為日本皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。當(dāng)時(shí)他三十二歲。三年后他接受了皇家勛章。許多外國科大學(xué)也給與他很高的榮譽(yù)。其實(shí)焦耳不斷進(jìn)行著他的實(shí)驗(yàn)檢測工作，遺憾的是，他的科學(xué)創(chuàng)造性，非常是在數(shù)學(xué)概念方面的創(chuàng)造性，過早地就減輕了。1875年，日本科學(xué)商會(huì)委托他更精確地檢測熱功當(dāng)量。他得到的結(jié)果是4.15，十分接近目前采用的卡＝4.184焦耳。1875年，焦耳的經(jīng)濟(jì)狀況大不如前。
那位以前頗具過但卻沒有一定職位的人發(fā)覺自己在經(jīng)濟(jì)上處于窘境，幸好他的同事幫他弄到一筆每年200美元的養(yǎng)老金，使他得以維持中等但舒適的生活。五十五歲時(shí)，他的健康狀況惡化，研究工作減弱了。1878年當(dāng)他六十歲時(shí)，焦耳發(fā)表了他的最后一篇論文。1878年，焦耳退職。焦耳活到了七十一歲。1889年10月11日，焦耳在索豐田去世。后人為了記念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。在逝世前三年，焦耳對他的兒子的說，“我一生只做了兩三件事，沒有哪些值得顯擺的。”相信對于大多數(shù)化學(xué)學(xué)家，她們只要才能做到這種小事中的一件也都會(huì)很滿意了。焦耳的謙卑是極其誠摯的。很可能焦耳定律的實(shí)驗(yàn)裝置，假如他曉得了在威斯敏斯特修道院為他建造了記念碑，并以他的名子命名能量單位，他將會(huì)倍感驚奇的，即使后人決不會(huì)倍感驚奇。