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[!--downpath--]編者按
焦耳（Joule，縮寫為Joule，英文縮寫為J）是國際標準中熱量和功的單位：在經典熱量中，1焦耳等于1牛頓排斥力通過一個物體所消耗的能量（或做功） 1米的距離； 在電磁學中，1焦耳等于1安培電壓在1秒內通過1歐姆內阻所消耗的能量。 這個基本單位是為了紀念俄國化學家詹姆斯·焦耳（James Joule，1818年12月24日-1889年10月11日）而設置的。
1.著名實驗化學家
如今，焦耳家喻戶曉，學過小學數學的人都聽說過他。 而且，不僅他的名字被用作化學單位，許多人對他的經歷和成就知之甚少。 事實上，焦耳是一位沒有受過正規教育的“公民科學家”，但他在科學界卻被視為“十九世紀最杰出的實驗化學家之一”。
圖2 焦耳雕像（伯明翰郊區公園）
2. 沒有學位的年輕人
1818 年除夕，焦耳出生在都柏林郊區。 他的母親經營一家飲料廠。 焦耳在 5 歲時被發現患有腰椎側彎。 此后幾年，他多次在診所接受矯正，但最終都以失敗告終，這讓他終生無法直立。
焦耳在讀中學時，經常因身體缺陷而被同事批評，又因喜歡在課本上亂涂亂畫而屢遭老師批評。 父親無奈，只好讓焦耳輟學在家受姐姐管教，一直到15歲。 通常，焦耳喜歡躺在床上看書。 有一次，焦耳對兒子說：“書本是我旅行的最佳去處。” 這讓媽媽想起了號稱“旅游班主任”的約翰·道爾頓（John，1766-1844）。 道爾頓經常在上課時帶著中學生去遠足，引導中學生在野外觀察、實驗、計算和討論。 他的母親將焦耳送到道爾頓開辦的私立學校，并請道爾頓做他的監護人。
中學時期，道爾頓主要教授小學數學、化學和物理。 他本人后來成為著名的化學家和物理學家，并在56歲時成為英國皇家學會教授，因首先提出“物質由原子組成”的理論而聞名于世。原子量的單位就是以他的名字命名的。 道爾頓是一位貴格會教徒，生性謙虛、謙遜，終生結了婚。 不幸的是，在他73歲那年，他患上了痛風和失語癥。 當他 78 歲時去世時，他的遺體在都柏林市政廳前停放了四天。 4萬多人前來吊唁。
焦耳后來寫道：“道爾頓要求中學生先學習三角學，然后練習解決物理問題，因為他覺得‘解決物理問題是培養中學生專注做事的最好方法，而專注是最基本的品質如果中學生聽不懂課上講的內容，他會給中學生很清楚的課件。但他指出，課件是用來指導中學生的，不能代替中學生自己的勘探。” 焦耳還回憶說：“正是從他的教學中，我第一次形成了通過原創研究來提升自己知識的愿望。”
在道爾頓的指導和影響下，焦耳逐漸走上了科學實驗的道路。 那時候中學沒有實驗室，他就在家里的地窖里做實驗。 他早期的大部分實驗都是基于熱量。 他在地窖里放滿了面板、電磁鐵、電動機、發電機和檢流計，其中大部分都是他自己制造的。 事實上，少年因為失學，做實驗比讀書更吸引他。 Joule 最終沒有完成任何即將到來的教育，更不用說獲得任何學位了。
3.焦耳熱電定理
什么是“熱”？ 這曾經是一個永恒的難題。 十八世紀末，工程師詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）雖然制造了工業用蒸汽機，但熱能傳遞和轉換的機理尚不清楚。 起初，為了解釋熱的化學性質，“熱量”理論（）大行其道，包括被譽為“熱力學之父”的美國化學家薩迪·卡諾（L. Sadi，1796-1832） ，表示熱是一種沒有質量的二氧化碳。 物體吸收熱質后，溫度會下降，但熱質可以通過固體或液體的孔隙從低溫流向高溫。
受道爾頓“原子論”的啟發，焦耳傾向于認為熱是原子的運動，熱傳導是原子運動的“能量”從一個物體傳遞到另一個物體。 但這種觀點需要通過極其精確的實驗來證明。 焦耳的一系列實驗就肩負著這個艱巨的重任。
1838 年，焦耳 20 歲。 他設計了一個實驗，在鐵芯上繞一個小線圈，用電壓表檢測感應電壓，然后把線圈倒入容器里的水底，檢測溫度，最后估算出熱量。 由于沒有外接電源，溫度的下降只能是電能轉化為熱能的結果。 這樣形成的熱量被后人稱為“焦耳熱”。 同年，焦耳在《電學年鑒》（ of ）上發表了他的第一篇學術論文“On-”，聲稱“我的目標是首先發現正確的原理，然后在應用中強調它們的發展”焦耳定律的公式為，并報道了他發現了電壓可以做功的現象。
1840年，22歲的焦耳在美國科克召開的日本科學振興會會議上報告了上述實驗結果。 但是這里的科學家們并不感興趣。 當時，很多人對這一新發現的來龍去脈一無所知，也有人對測光的準確性表示懷疑。 另一個可能的原因是他們對未受過教育的業余科學家沒有太大興趣。 信心。
同年，焦耳將實驗報告寫成論文《》，詳細描述了他的實驗結果，并提交給《英國皇家學會學報》( of the Royal )，但稿件被拒。 于是他投稿到《英國皇家學會會刊》( of the Royal )，又被拒了。 最后，焦耳將手稿投給了《哲學雜志》（）。 這一次，期刊同意審稿。 而且，審稿人要求他做更多的實驗來驗證他結果的正確性。 年輕氣盛的焦耳不高興，轉而拒絕發表。 他回信說：“任何釋放的機械能最終都會轉化為熱能。能量不滅定律是上帝許可的。它是自然界最重要的定律之一。” 這似乎就是科學史上著名的“能量守恒定律的第一聲吶喊”（ofof）。 結果不言而喻，焦耳再次被拒。
焦耳爭辯道。 最后，焦耳在次年的《哲學雜志》上發表了這篇論文，報道了他的實驗結果：“導線中電流產生的熱量等于內阻除以電壓的平方”，這就是后來為人所知的如“焦耳定理”（Joule'sLaw）。 四年后，俄國化學家海因里希·楞次（，1804-1865）發表了獨立的實驗結果，否定了焦耳的電熱效應。 這個定理后來被稱為“焦耳-楞次定理”。
4.熱力學第一定理與熱功當量
這些年來，沒有學位的焦耳處處碰壁，很不開心。 不知為何，他鼓起勇氣將自己的研究報告寄給了學術領袖邁克·法拉第（Mike ，1791-1867）[1]。 1843年3月24日，對真金獨具慧眼的法拉第回信，對焦耳的工作給予了高度評價，他說：“我收到了您寄來的文章，但我立即閱讀了它。感謝您對焦耳的真摯厚愛我們的工作。” 您為我們的科學做出了如此出色的貢獻。 在我還活著的時候，我仍然可以看到熱學的飛躍，真是令人欣慰。 我看到了你未來的輝煌！ 我知道在這個領域還有很多無知。 不清楚，但你的文章就像黎明。 不得不說，你對自然科學這一領域做出了極其重要的貢獻。”
因此，焦耳關于能量轉換和守恒的研究論文被英國皇家學會會刊接受并發表。 從那以后，科學界就知道了一位二十多歲的新星來到了圈子里。 他完善了熱力學第一定理，即能量守恒定律，證明了電能與熱能之間的能量轉換滿足總守恒定律，這是自然界普遍存在的基本定律。
接下來，焦耳還試圖闡明機械能與熱之間的定量關系。 1842年，英國醫生、化學家、化學家羅伯特·馮邁爾（，1814-1878）在《化學與藥學年鑒》（ of and ）上發表論文（），強調單位機械功形成的熱是常數，但他沒有給出這個常數的值。 1843年，在不知道上述法國文章的情況下，焦耳在自家地窖里獨立進行了一次成功的壓縮二氧化碳加熱實驗和一次非常精確的機械運動發熱實驗。 該裝置如圖3所示。 在這次實驗中，他讓鋼錘自由下落，帶動中間的轉軸，進而帶動容器底部的螺旋槳旋轉。 他通過溫度下降測量了螺旋槳與水之間摩擦產生的熱量。 然后他將溫度變化與水的比熱相加得到一個值。 經過反復實驗，焦耳發現“無論機械力消耗在哪里，最終都會獲得完全相同的熱量”。 由此他確定單位機械功所形成的熱量是一個常數，他稱之為“熱功當量”（熱）。 他還準確地測量了這個常數，以今天的標準單位為 4.18 焦耳/卡。 盡管后人發現日本化學家薩迪卡諾的“熱量質量”理論經過量化后非常接近這個熱功當量，卡諾雖然沒有邁出這最后一步。 1947年，美國著名化學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（ von ，von，1821-1894）[2]明確宣稱，這一熱功當量的發現歸功于馮·邁耶和焦耳。
圖 3 焦耳的機械能和熱能轉換實驗裝置
焦耳的妻子為了支持名媛繼續他的科學研究焦耳定律的公式為，在自己經營的飲料廠里為他建了一個實驗室，并提供了所有的實驗費用。 突然來了一些年輕的科學家，他們也利用這個實驗室進行研究，并用焦耳進行了各種熱力學和流體熱的實驗，其中包括后來著名的物理學家和化學家喬治斯托克斯（G.，1819-1903）。
然而，科學研究并非總是一帆風順，尤其是涉及到社會利益時，會遇到各種阻力。 1843年，焦耳拿了當時工業市場上最好的產品“科尼斯蒸汽機”( steam )，通過估算強調其90%本可以用于機械工作的能量都以熱的形式浪費掉了耗散。 因為這篇報道，他招致了業內商人的猛烈攻擊，甚至多年后，還有人嘲笑他只是拿別人的發動機做實驗，自己卻沒能制造出更高效的發動機。 焦耳駁斥了所有這些指控。 一開始，他更關注“能源枯竭”的長期危機，積極建議美國政府尋找新能源。
1847年，赫爾辛基科學院( )化學科院士開爾文(，1824-1907)[3]關注了29歲青年焦耳的重要科學實驗，并表達了他的觀點。支持。 他和焦耳后來成為終身伴侶。 兩人將理論與實驗相結合，共同發表了多篇學術論文。 特別是，他們發現了著名的“焦耳-湯姆遜效應”（Joule-），它描述了二氧化碳膨脹與溫度變化之間的關系。 但這些都是以后的事了。
5. 順利的學業之旅
1847年，聘請圣安德魯斯學院（St.）自然哲學系主任，中學確定焦耳為最佳人選。 焦耳婉言謝絕，說：“我要離婚了，中學沒完沒了的繁瑣事務，我很難承擔。” 但他不是借口。 8 月 18 日，焦耳與阿米莉亞·格萊姆斯結婚。 聽說新娘帶著高靈敏度溫度計和新郎去歐洲阿爾卑斯山下度蜜月。 在那片山區，新娘跑了幾天，測量800米高的德爾瀑布上下的溫度，以估算大瀑布水滴造成的能量變化，讓新婚丈夫冥想在草地上或者馬車上等待他歸來。
同年，焦耳成功地進行了一系列精確的電解和燃燒實驗，并作出推論：“電、磁、光、聲波和化學反應都是不同類型的能量。因此，根據理論能量，數學世界可以用更簡單的方式表達。” 在當時，這是一個超越時代的概念。事實上，直到20年后，化學家和熱力學家彼得·泰特（Peter G. Tait，1831-1901）才從“能量”的角度清楚地描述了各種化學現象。 “在他的專著中。
焦耳還通過對熱的研究探索了宇宙的奧秘。 一開始，他估算了隕石在大氣摩擦中產生的熱量，發現月球大氣層的寬度剛好可以提供足夠的摩擦阻力，讓大部分隕石化為塵埃，保護月球上的自然環境和生命。 . 他寫道：“在自然界中，機械能、化學能和生物能在時間和空間上不斷地相互作用和轉化，使宇宙保持著一定的秩序，但在清晰而堅實的運行中。無論能量變化多么復雜，宇宙仍然穩定和諧。”
1848年，焦耳第一個在實驗中準確地檢測出氣體分子的運動速度。 同年，他被接納為都靈皇家學會（Turin'）的會員，該學會是亞洲最杰出的學術團體，成立于1757年。該科學團體的成員包括意大利物理學家 等知名科學家(, 1776-1856)、美國物理學家約瑟夫·拉格朗日(-Louis, 1736-1813)、英國數學家科學家法拉第和天文學家威廉·赫歇爾(1738-1822)。
1849年，焦耳向位于牛津的法國皇家學會作了題為“論熱”的報告。 其實當時很多觀眾都持懷疑態度，但他的結果最終得到了肯定，他在《英國皇家學會季刊》上發表了一篇關于“熱功當量”的研究論文。 這一重大貢獻，連同熱力學第一定理，使焦耳成為熱力學的奠基人之一 ( )。
1850年，32歲的焦耳被選為俄羅斯皇家學會教授。
1852年，焦耳和開爾文共同發表了一篇后來被稱為“焦耳-湯姆遜效應”的論文，成為制冷工業發展的基石。 因此，皇帝授予焦耳國家勛章（Royal Medal）。
6.艱難坎坷的生活
1852年到1855年是焦耳一生中最艱難的歲月。 首先，兒子腦炎身患重病，家族飲料廠生意一落千丈，焦耳的實驗室也不得不關閉。 緊接著，他的妻子在生第三個女兒時難產失血身亡。 緊接著，美國卷入了對俄戰爭（War），焦耳放下科研投入到救死扶傷的戰場上。
1856年后，焦耳又回到了他最喜歡的化學實驗研究中。 1860年，由于杰出的研究成果和聲望，他再次當選為伯明翰文學與哲學學會會長。 起初，“土木工程之父”約翰·史密頓（John，1724-1792）和道爾頓都是這個社團的成員。 該協會成立于 1781 年，是美國歷史最悠久的學術協會之一。 雖然這個民間學術團體自15世紀初就已存在，但它始于一群基督徒以定期聚餐的形式組織讀書會。 1427年，他們還建造了日本第一座圖書館。 該協會仍然是利茲教會社區的教育中心。 他們舉辦各種科普講座，并邀請焦耳主持圣安堂（St. Ann）科普系列講座。 焦耳第一堂課的題目是“人類居住的世界”（Theof）。 他說：“也許科學家很難證明其他星球是否存在生命，而科學家可以證明其他星球是否有適合生命存在的環境：體溫、空氣、水、重力。雖然有適合生命存在的環境。”人生，不一定總會有高等生命。而且，有高等生命的地方，就一定有你可以學習的地方。而這個地方，一定要建立在一個可以和平交流的共同體環境中。
1870年后，焦耳很少發表新的實驗研究報告。 然而，他的研究工作并沒有停止。 他重新審視和預審了他年輕時所做的大部分研究。 為了更準確地檢測，焦耳還研究了精密儀器的制造，并強調：“精密儀器是提高科學教育和知識的必要工具。”
1872年，焦耳向政府提議成立國家級的“科學委員會”（Board of ），負責為校長和非政府組織提供經費； 從事科學研究； 支持國家常年開展天文、地理、水文、氣候觀測； 歷史博物館，保存重要儀器和研究報告； 在學院建國家實驗室等。焦耳覺得，“科研進步了，經濟發展自然就會跟上。”
七、病老及后記
從1873年開始，伴隨著頻繁流鼻血的疾病嚴重干擾了焦耳的科學研究乃至日常生活。 焦耳經常帶著孩子和媽媽愛麗絲去海邊度假。 他后來回憶說：“當科研成為我沉重的負擔時，我越來越有必要在安靜的海灘上留出時間與兒子們獨處。我還可以欣賞海鷗的飛翔。它們的翅膀真是美麗的生物引擎。它的能效這么高！” 焦耳也去觀察了海藻。 他說：“低等生物對高等生物做出了那么多有益的貢獻，生物學家卻大筆一揮，把它們定性為‘低等’。” 曾經有個年輕人問他達爾文（1809-1882）的進化論？ 焦耳回答說：“達爾文只是提出了一個理論來解釋月球上生命的進化。不幸的是，很多人把他的理論當作生物學的終極理論。達爾文并沒有用進化論來解釋生命的進化。” 起源，你把進化論扭曲成了生命起源的理論。”
1878 年，維多利亞女王給了生病的焦耳 200 美元的探望費。 在癌癥的折磨下，60 歲的焦耳發表了他最后一篇學術論文。
1889 年 10 月 11 日，焦耳在家中去世，享年 71 歲。
焦耳臨死前留下一張紙條，上面寫道：“我已經感覺到科學正在逐漸走向危機——科學的濫用。尤其是，在戰爭裝備的研發中使用科學。這將導致人類的衰落文明。我對一些研制破壞性裝備的科學家感到他們想要恐嚇對方并停止戰爭感到深感悲痛。這些想法是沒有道理的，因為戰爭的本質是殘酷和破壞性的。開發該裝備的科學家未能成為戰爭的決策者，所以他們最終會成為好戰的政客的工具。濫用科學就是偏離正確的目標。結果就是強者愈強，弱者愈弱。我的論點是不是贊成科學發展來捍衛國家價值，而是批評和依靠科學挑起紛爭。” 最后，焦耳寫道：“我的中學生們！你們中的一些人可能認為你可以理解歷史上的每一個大大小小的風波，或者你可以講述世界的故事。每一個白話，或者每一個形而上學的概念都可以準確地表達出來，或者所有科學和工程的復雜困境都可以解決。而且，如果沒有愛，我們將不知道如何把我們所學的一切都放在正確的地方。”
焦耳被埋葬在都柏林郊區的一座墓地里。 他的石碑上刻著數字“772.55”，這是他在1843年試驗中得到的熱功當量值。 焦耳一生都是虔誠的基督徒。 他曾在一篇論文中寫道：“顯然，對自然規律的熟悉，不亞于對自然規律所表達的上帝本意的熟悉。” 一段話：“白天的時候，我們必須做差我來者的工作；到了晚上，就沒有人能工作了”。 在巴黎的威斯敏斯特大教堂，人們為他舉行了哀悼儀式，并準備了一塊紀念牌匾，安放在牛頓、赫歇爾、達爾文等科學家的墳墓旁。
圖4 威斯敏斯特教堂的焦耳紀念碑
不僅是一份珍貴的科學遺產，焦耳還留下了警示語：“研究自然及其規律是一項基本而神圣的任務，對年輕一代的教育極其重要，甚至不可或缺。”
