焦耳轶事

焦  耳
 
　一、生平简介
　　焦耳，J.P.（James Prescott Joule 1818～1889）
焦耳是英国物理学家.1818年12月24日生于索尔福.他父亲是酿酒厂的厂主.焦耳从小体弱不能上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理.他很喜欢电学和磁学，对实验特别感兴趣.后来成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家.焦耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家.
焦耳最早的工作是电学和磁学方面的研究，后转向对功热转化的实验研究.
1866年由于他在热学、电学和热力学方面的贡献，被授予英国皇家学会柯普莱金质奖章.
　　1872年—1887年焦耳任英国科学促进协会主席.
　　1889年10月11日焦耳在塞拉逝世.　
二、科学成就
　　1.焦耳定律的发现
　　1840年12月，他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Э.х.楞次也独立地发现了同样的定律，而被称为焦耳-楞次定律.
　　2.热功当量的测定
　　焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系.这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》，是1843年在英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的.此后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同，结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的数值.最后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上，其中阐明：第一，不论固体或液体，摩擦所产生的热量，总是与所耗的力的大小成比例.第二，要产生使1磅水（在真空中称量，其温度在50～60华氏度之间）增加1华氏度的热量，需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功.他精益求精，直到1878年还有测量结果的报告.他近40年的研究工作，为热运动与其他运动的相互转换，运动守恒等问题，提供了无可置疑的证据，焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一.
　　3.在热力学方面的成就
　　1852年焦耳和W.汤姆孙（即开尔文）发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳-汤姆孙效应.这效应在低温和气体液化方面有广泛应用.他对蒸汽机的发展作了不少有价值的工作，还第一次计算了有关气体分子的速度.　
三、趣闻轶事
　　1.精确的测量值在几十年里不作大修正
　　焦耳是一位主要靠自学成才的科学家，他对物理学做出重要贡献的过程不是一帆风顺的.1843年8月，在考尔克的一次学术报告会上，焦耳作了题为《论磁电的热效应和热的机械值》的报告.他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系，并测得热功当量值为1千卡热量相当于460千克米的机械功.这一结论遭到当时许多物理学家的反对.
　　为了证明这个发现是成功的，焦耳以极大的毅力，采用不同的方法，长时间地反复进行实验.1843年末，焦耳通过摩擦作用测得热功当量是424.9千克米/千卡1千克米=9.8焦耳.1844年通过对压缩空气做功和空气温度升高的关系的实验，测得热功当量是443.8千克米/千卡.尤其在1847年，焦耳精心地设计了一个著名的热功当量测定装置，也就是用下降重物带动叶桨旋转的方法，搅拌水或其他液体产生热量.焦耳用水和鲸油作搅拌液，分别测量，然后取平均值，得到热功当量平均值是428.9千克米/千卡.1849年6月21日，焦耳给英国伦敦皇家学会报告了这个结果.从1849到1878年，焦耳反复作了四百多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡，这和现在公认值427千克米/千卡相比，只小0.7%.焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正，这在物理学史上也是空前的.难怪威廉·汤姆孙称赞说：“焦耳具有从观察到的极细微的效应中作出重大结论的胆识，具有从实验中逼出精度来的高度技巧，充分得到人们的赏识和钦佩.”
　　2.坚持不懈终将获得公认
　　1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上，焦耳又一次作了热功当量的研究报告，宣布热是一种能量形式，各种形式的能量可以互相转化.但是焦耳的观点遭到与会者的否定，英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文.1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演，充分地阐述了能量守恒原理，但是地方报纸不理睬，在进行了长时间的交涉之后，才有一家报纸勉强发表了这次讲演.同年6月，在英国科学协会的牛津会议上，焦耳再一次提出热功当量的研究报告，宣传自己的新思想.会议主席只准许他作简要的介绍.只是由于威廉·汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言，他的新思想才引起与会者的重视.直到1850年，焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认.
　　3.要科学，不要永动机
　　焦耳在探索科学真理的道路上，也走过弯路.他年轻的时候，正是“永动机热”席卷欧洲的时代，许多人钻进了永动机的迷宫，妄想制造出一种不消耗能量永远做功的机器.焦耳也是个“永动机迷”，曾经狂热地追求过永动机，几乎消磨了他全部的业余时间.他通宵达旦地冥思苦索、设计方案、制作机件，但是没有一个是成功的.失败引起了焦耳的深思，为什么乍一看设计上几乎无懈可击的机器，做出来却总是一堆废物？焦耳没有象有些人那样，明明进入了迷宫，还以为走进了科学的殿堂，碰了壁也不回头.他吸取教训，迷途知返，毅然退出了幻想的迷宫，转向脚踏实地的科学研究，探求隐藏在失败背后的科学真谛.经过勤奋实践，他终于找到了热功当量，为建立能量守恒定律作出了杰出的贡献.这个定律好比一块路标，插在寻找永动机的十字路口，警告迷途人：此路不通！据说焦耳还现身说法，语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说：“不要永动机，要科学！”

    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.