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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(biāo)準(zhǔn)中熱量和功的單位：在經(jīng)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(xué)中，1焦耳等于1安培電壓在1秒內(nèi)通過1歐姆內(nèi)阻所消耗的能量。 這個基本單位是為了紀(jì)念俄國化學(xué)家詹姆斯·焦耳（James Joule，1818年12月24日-1889年10月11日）而設(shè)置的。
1.著名實驗化學(xué)家
如今，焦耳家喻戶曉，學(xué)過小學(xué)數(shù)學(xué)的人都聽說過他。 而且，不僅他的名字被用作化學(xué)單位，許多人對他的經(jīng)歷和成就知之甚少。 事實上，焦耳是一位沒有受過正規(guī)教育的“公民科學(xué)家”，但他在科學(xué)界卻被視為“十九世紀(jì)最杰出的實驗化學(xué)家之一”。
圖2 焦耳雕像（伯明翰郊區(qū)公園）
2. 沒有學(xué)位的年輕人
1818 年除夕，焦耳出生在都柏林郊區(qū)。 他的母親經(jīng)營一家飲料廠。 焦耳在 5 歲時被發(fā)現(xiàn)患有腰椎側(cè)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(xué)時，經(jīng)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(xué)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(jīng)常在上課時帶著中學(xué)生去遠(yuǎn)足，引導(dǎo)中學(xué)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(xué)校，并請道爾頓做他的監(jiān)護(hù)人。
中學(xué)時期，道爾頓主要教授小學(xué)數(shù)學(xué)、化學(xué)和物理。 他本人后來成為著名的化學(xué)家和物理學(xué)家，并在56歲時成為英國皇家學(xué)會教授，因首先提出“物質(zhì)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(jié)了婚。 不幸的是，在他73歲那年，他患上了痛風(fēng)和失語癥。 當(dāng)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(xué)生先學(xué)習(xí)三角學(xué)，然后練習(xí)解決物理問題，因為他覺得‘解決物理問題是培養(yǎng)中學(xué)生專注做事的最好方法，而專注是最基本的品質(zhì)如果中學(xué)生聽不懂課上講的內(nèi)容，他會給中學(xué)生很清楚的課件。但他指出，課件是用來指導(dǎo)中學(xué)生的，不能代替中學(xué)生自己的勘探。” 焦耳還回憶說：“正是從他的教學(xué)中，我第一次形成了通過原創(chuàng)研究來提升自己知識的愿望?！?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
在道爾頓的指導(dǎo)和影響下，焦耳逐漸走上了科學(xué)實驗的道路。 那時候中學(xué)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(jī)、發(fā)電機(jī)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(xué)，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(xué)位了。
3.焦耳熱電定理
什么是“熱”？ 這曾經(jīng)是一個永恒的難題。 十八世紀(jì)末，工程師詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）雖然制造了工業(yè)用蒸汽機(jī)，但熱能傳遞和轉(zhuǎn)換的機(jī)理尚不清楚。 起初，為了解釋熱的化學(xué)性質(zhì)，“熱量”理論（）大行其道，包括被譽(yù)為“熱力學(xué)之父”的美國化學(xué)家薩迪·卡諾（L. Sadi，1796-1832） ，表示熱是一種沒有質(zhì)量的二氧化碳。 物體吸收熱質(zhì)后，溫度會下降，但熱質(zhì)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(fā)，焦耳傾向于認(rèn)為熱是原子的運動，熱傳導(dǎo)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(fù)著這個艱巨的重任。
1838 年，焦耳 20 歲。 他設(shè)計了一個實驗，在鐵芯上繞一個小線圈，用電壓表檢測感應(yīng)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(zhuǎn)化為熱能的結(jié)果。 這樣形成的熱量被后人稱為“焦耳熱”。 同年，焦耳在《電學(xué)年鑒》（ of ）上發(fā)表了他的第一篇學(xué)術(shù)論文“On-”，聲稱“我的目標(biāo)是首先發(fā)現(xiàn)正確的原理，然后在應(yīng)用中強(qiáng)調(diào)它們的發(fā)展”焦耳定律的公式為，并報道了他發(fā)現(xiàn)了電壓可以做功的現(xiàn)象。
1840年，22歲的焦耳在美國科克召開的日本科學(xué)振興會會議上報告了上述實驗結(jié)果。 但是這里的科學(xué)家們并不感興趣。 當(dāng)時，很多人對這一新發(fā)現(xiàn)的來龍去脈一無所知，也有人對測光的準(zhǔn)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(yè)余科學(xué)家沒有太大興趣。 信心。
同年，焦耳將實驗報告寫成論文《》，詳細(xì)描述了他的實驗結(jié)果，并提交給《英國皇家學(xué)會學(xué)報》( of the Royal )，但稿件被拒。 于是他投稿到《英國皇家學(xué)會會刊》( of the Royal )，又被拒了。 最后，焦耳將手稿投給了《哲學(xué)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(jié)果的正確性。 年輕氣盛的焦耳不高興，轉(zhuǎn)而拒絕發(fā)表。 他回信說：“任何釋放的機(jī)械能最終都會轉(zhuǎn)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(xué)史上著名的“能量守恒定律的第一聲吶喊”（ofof）。 結(jié)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(xué)雜志》上發(fā)表了這篇論文，報道了他的實驗結(jié)果：“導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的熱量等于內(nèi)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(xué)家海因里?！だ愦危?，1804-1865）發(fā)表了獨立的實驗結(jié)果，否定了焦耳的電熱效應(yīng)。 這個定理后來被稱為“焦耳-楞次定理”。
4.熱力學(xué)第一定理與熱功當(dāng)量
這些年來，沒有學(xué)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(xué)術(shù)領(lǐng)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(xué)做出了如此出色的貢獻(xiàn)。 在我還活著的時候，我仍然可以看到熱學(xué)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(lǐng)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(xué)這一領(lǐng)域做出了極其重要的貢獻(xiàn)?！?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
因此，焦耳關(guān)于能量轉(zhuǎn)換和守恒的研究論文被英國皇家學(xué)會會刊接受并發(fā)表。 從那以后，科學(xué)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(xué)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(zhuǎn)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(jī)械能與熱之間的定量關(guān)系。 1842年，英國醫(yī)生、化學(xué)家、化學(xué)家羅伯特·馮邁爾（，1814-1878）在《化學(xué)與藥學(xué)年鑒》（ of and ）上發(fā)表論文（），強(qiáng)調(diào)單位機(jī)械功形成的熱是常數(shù)，但他沒有給出這個常數(shù)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(jìn)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(jī)械運動發(fā)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(zhuǎn)軸，進(jìn)而帶動容器底部的螺旋槳旋轉(zhuǎn)。 他通過溫度下降測量了螺旋槳與水之間摩擦產(chǎn)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(jīng)過反復(fù)實驗，焦耳發(fā)現(xiàn)“無論機(jī)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(jī)械功所形成的熱量是一個常數(shù)，他稱之為“熱功當(dāng)量”（熱）。 他還準(zhǔn)確地測量了這個常數(shù)，以今天的標(biāo)準(zhǔn)單位為 4.18 焦耳/卡。 盡管后人發(fā)現(xiàn)日本化學(xué)家薩迪卡諾的“熱量質(zhì)量”理論經(jīng)過量化后非常接近這個熱功當(dāng)量，卡諾雖然沒有邁出這最后一步。 1947年，美國著名化學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（ von ，von，1821-1894）[2]明確宣稱，這一熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)歸功于馮·邁耶和焦耳。
圖 3 焦耳的機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換實驗裝置
焦耳的妻子為了支持名媛繼續(xù)他的科學(xué)研究焦耳定律的公式為，在自己經(jīng)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(xué)家，他們也利用這個實驗室進(jìn)行研究，并用焦耳進(jìn)行了各種熱力學(xué)和流體熱的實驗，其中包括后來著名的物理學(xué)家和化學(xué)家喬治斯托克斯（G.，1819-1903）。
然而，科學(xué)研究并非總是一帆風(fēng)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(dāng)時工業(yè)市場上最好的產(chǎn)品“科尼斯蒸汽機(jī)”( steam )，通過估算強(qiáng)調(diào)其90%本可以用于機(jī)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(yè)內(nèi)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(fā)動機(jī)做實驗，自己卻沒能制造出更高效的發(fā)動機(jī)。 焦耳駁斥了所有這些指控。 一開始，他更關(guān)注“能源枯竭”的長期危機(jī)，積極建議美國政府尋找新能源。
1847年，赫爾辛基科學(xué)院( )化學(xué)科院士開爾文(，1824-1907)[3]關(guān)注了29歲青年焦耳的重要科學(xué)實驗，并表達(dá)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(jié)合，共同發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。 特別是，他們發(fā)現(xiàn)了著名的“焦耳-湯姆遜效應(yīng)”（Joule-），它描述了二氧化碳膨脹與溫度變化之間的關(guān)系。 但這些都是以后的事了。
5. 順利的學(xué)業(yè)之旅
1847年，聘請圣安德魯斯學(xué)院（St.）自然哲學(xué)系主任，中學(xué)確定焦耳為最佳人選。 焦耳婉言謝絕，說：“我要離婚了，中學(xué)沒完沒了的繁瑣事務(wù)，我很難承擔(dān)。” 但他不是借口。 8 月 18 日，焦耳與阿米莉亞·格萊姆斯結(jié)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(qū)，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(jìn)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(xué)反應(yīng)都是不同類型的能量。因此，根據(jù)理論能量，數(shù)學(xué)世界可以用更簡單的方式表達(dá)?！?在當(dāng)時，這是一個超越時代的概念。事實上，直到20年后，化學(xué)家和熱力學(xué)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(xué)現(xiàn)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(chǎn)生的熱量，發(fā)現(xiàn)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(hù)月球上的自然環(huán)境和生命。 . 他寫道：“在自然界中，機(jī)械能、化學(xué)能和生物能在時間和空間上不斷地相互作用和轉(zhuǎn)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(fù)雜，宇宙仍然穩(wěn)定和諧?！?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
1848年，焦耳第一個在實驗中準(zhǔn)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(xué)會（Turin'）的會員，該學(xué)會是亞洲最杰出的學(xué)術(shù)團(tuán)體，成立于1757年。該科學(xué)團(tuán)體的成員包括意大利物理學(xué)家 等知名科學(xué)家(, 1776-1856)、美國物理學(xué)家約瑟夫·拉格朗日(-Louis, 1736-1813)、英國數(shù)學(xué)家科學(xué)家法拉第和天文學(xué)家威廉·赫歇爾(1738-1822)。
1849年，焦耳向位于牛津的法國皇家學(xué)會作了題為“論熱”的報告。 其實當(dāng)時很多觀眾都持懷疑態(tài)度，但他的結(jié)果最終得到了肯定，他在《英國皇家學(xué)會季刊》上發(fā)表了一篇關(guān)于“熱功當(dāng)量”的研究論文。 這一重大貢獻(xiàn)，連同熱力學(xué)第一定理，使焦耳成為熱力學(xué)的奠基人之一 ( )。
1850年，32歲的焦耳被選為俄羅斯皇家學(xué)會教授。
1852年，焦耳和開爾文共同發(fā)表了一篇后來被稱為“焦耳-湯姆遜效應(yīng)”的論文，成為制冷工業(yè)發(fā)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(guān)閉。 緊接著，他的妻子在生第三個女兒時難產(chǎn)失血身亡。 緊接著，美國卷入了對俄戰(zhàn)爭（War），焦耳放下科研投入到救死扶傷的戰(zhàn)場上。
1856年后，焦耳又回到了他最喜歡的化學(xué)實驗研究中。 1860年，由于杰出的研究成果和聲望，他再次當(dāng)選為伯明翰文學(xué)與哲學(xué)學(xué)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(tuán)的成員。 該協(xié)會成立于 1781 年，是美國歷史最悠久的學(xué)術(shù)協(xié)會之一。 雖然這個民間學(xué)術(shù)團(tuán)體自15世紀(jì)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(xié)會仍然是利茲教會社區(qū)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(xué)家很難證明其他星球是否存在生命，而科學(xué)家可以證明其他星球是否有適合生命存在的環(huán)境：體溫、空氣、水、重力。雖然有適合生命存在的環(huán)境?！比松灰欢倳懈叩壬６?，有高等生命的地方，就一定有你可以學(xué)習(xí)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(huán)境中。
1870年后，焦耳很少發(fā)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(yù)審了他年輕時所做的大部分研究。 為了更準(zhǔn)確地檢測，焦耳還研究了精密儀器的制造，并強(qiáng)調(diào)：“精密儀器是提高科學(xué)教育和知識的必要工具?！?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
1872年，焦耳向政府提議成立國家級的“科學(xué)委員會”（Board of ），負(fù)責(zé)為校長和非政府組織提供經(jīng)費； 從事科學(xué)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(xué)院建國家實驗室等。焦耳覺得，“科研進(jìn)步了，經(jīng)濟(jì)發(fā)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(yán)重干擾了焦耳的科學(xué)研究乃至日常生活。 焦耳經(jīng)常帶著孩子和媽媽愛麗絲去海邊度假。 他后來回憶說：“當(dāng)科研成為我沉重的負(fù)擔(dān)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(xiàn)，生物學(xué)家卻大筆一揮，把它們定性為‘低等’。” 曾經(jīng)有個年輕人問他達(dá)爾文（1809-1882）的進(jìn)化論？ 焦耳回答說：“達(dá)爾文只是提出了一個理論來解釋月球上生命的進(jìn)化。不幸的是，很多人把他的理論當(dāng)作生物學(xué)的終極理論。達(dá)爾文并沒有用進(jìn)化論來解釋生命的進(jìn)化?！?起源，你把進(jìn)化論扭曲成了生命起源的理論?！?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
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(fā)表了他最后一篇學(xué)術(shù)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(jīng)感覺到科學(xué)正在逐漸走向危機(jī)——科學(xué)的濫用。尤其是，在戰(zhàn)爭裝備的研發(fā)中使用科學(xué)。這將導(dǎo)致人類的衰落文明。我對一些研制破壞性裝備的科學(xué)家感到他們想要恐嚇對方并停止戰(zhàn)爭感到深感悲痛。這些想法是沒有道理的，因為戰(zhàn)爭的本質(zhì)是殘酷和破壞性的。開發(fā)該裝備的科學(xué)家未能成為戰(zhàn)爭的決策者，所以他們最終會成為好戰(zhàn)的政客的工具。濫用科學(xué)就是偏離正確的目標(biāo)。結(jié)果就是強(qiáng)者愈強(qiáng)，弱者愈弱。我的論點是不是贊成科學(xué)發(fā)展來捍衛(wèi)國家價值，而是批評和依靠科學(xué)挑起紛爭?！?最后，焦耳寫道：“我的中學(xué)生們！你們中的一些人可能認(rèn)為你可以理解歷史上的每一個大大小小的風(fēng)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(xué)的概念都可以準(zhǔn)確地表達(dá)出來，或者所有科學(xué)和工程的復(fù)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(xué)的一切都放在正確的地方?！?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
焦耳被埋葬在都柏林郊區(qū)的一座墓地里。 他的石碑上刻著數(shù)字“772.55”，這是他在1843年試驗中得到的熱功當(dāng)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(guī)律的熟悉，不亞于對自然規(guī)律所表達(dá)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?yōu)樗e行了哀悼儀式，并準(zhǔn)備了一塊紀(jì)念牌匾，安放在牛頓、赫歇爾、達(dá)爾文等科學(xué)家的墳?zāi)古浴?span style="display:none">FFf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
圖4 威斯敏斯特教堂的焦耳紀(jì)念碑
不僅是一份珍貴的科學(xué)遺產(chǎn)，焦耳還留下了警示語：“研究自然及其規(guī)律是一項基本而神圣的任務(wù)，對年輕一代的教育極其重要，甚至不可或缺。”
