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第八十一章 傑出的物理學家焦耳

　　焦耳（1818～1889）是英國人，1818年12月24日出生在曼徹斯特市一家啤酒廠主的家庭裏，從小就跟著爸爸釀酒，沒有進過學校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書，常常一邊勞動一邊認字，自學到不少知識。後來，他幸運地認識了著名化學家道爾頓教授，便常常到他那裏請教。從此，焦耳對自然科學，特別是實驗科學產生了濃厚的興趣。

　　有一次，焦耳與哥哥一塊找來一匹跛馬，把電流通到馬身上，馬受到刺激便狂跳起來。焦耳記下電流的大小和馬的狂跳程度，說這是用馬來觀察電擊實驗。還有一次，焦耳用火藥槍發出的巨響做回聲實驗。為使響聲更大些，他向槍膛中裝了三倍的火藥，結果槍口噴出的火焰把焦耳的眉毛都燒光了。

　　24歲時，焦耳開始對通電導體放熱的問題進行深入的研究。他把父親的一間房子改成實驗室，一有空便鑽到實驗室裏忙個不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成一個電熱器。然後把電熱器放入一個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電並開始計時，用鳥羽毛輕輕攪動水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計，可隨時觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次，大量數據使焦耳發現：電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。

　　焦耳把這一實驗規律寫成論文《關於金屬導體和電池在電解時放出的熱》，並於1841年發表在英國《哲學雜誌》上。然而，論文並沒有引起學術界的重視。因為在一些學者們看來，電與熱的關係不能那麽簡單，況且焦耳隻是一個釀酒師，又沒有大學文憑。一年後，俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗，並得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視，後來人們把這個定律叫做焦耳定律。

　　1843年8月21日在英國學術會上，焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中說1千卡的熱量相當於460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響，這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。

　　1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化，他在這方麵取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關係的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值，從理論上奠定了波義耳—馬略特和蓋—呂薩克定律的基礎，並解釋了氣體對器壁壓力的實質。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學家威廉·湯姆生（後來受封為開爾文勳爵，既JJ·湯姆遜）共同完成的。在焦耳發表的九十七篇科學論文中有二十篇是他們的合作成果。當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要下降，這一現象就是兩人共同發現的。這一現象後來被稱為焦耳—湯姆生效應。

　　無論是在實驗方麵，還是在理論上，焦耳都是從分子動力學的立場出發進行深入研究的先驅者之一。

　　在從事這些研究的同時，焦耳並沒有間斷對熱功當量的測量。1847年，焦耳做了迄今認為是設計思想最巧妙的實驗：他在量熱器裏裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水的升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。

　　焦耳還用鯨魚油代替水來作實驗，測得了熱功當量的平均值為423.9千克米/千卡。接著又用水銀來代替水，不斷改進實驗方法，直到1878年，這時距他開始進行這一工作將近四十年了，他已前後用各種方法進行了四百多次的實驗。他在1849年用摩擦使水變熱的方法所得的結果跟1878年的是相同的，即為423.9千克重米/千卡。一個重要的物理常數的測定，能保持三十年而不作較大的更正，這在物理學史上也是極為罕見的事。這個值當時被大家公認為熱功當量J的值，它比現在J的公認值——427千克米/千卡約小0.7%。在當時的條件下，能做出這樣精確的實驗來，說明焦耳的實驗技能是多麽的高超啊！

　　然而，當焦耳在1847年的英國科學學會的會議上再次公布自己的研究成果時，他還是沒有得到支持，很多科學家都懷疑他的結論，認為各種形式的能之間的轉化是不可能的。直到1850年，其他一些科學家用不同的方法獲得了能量守恒定律和能量轉化定律，他們的結論和焦耳相同，這時焦耳的工作才得到承認。

　　1850年，焦耳憑借他在物理學上作出的重要貢獻成為英國皇家學會會員。當時他三十二歲。兩年後他接受了皇家勳章。許多外國科學院也給予他很高的榮譽。雖然焦耳不斷進行著他的實驗測量工作，遺憾的是，他的科學創造性，特別是在物理概念方麵的創造性，過早地就減少了。1875年，英國科學協會委托他更精確地測量熱功當量。他得到的結果是4.15，非常接近目前采用的值1卡=4.184焦耳。1875年，焦耳的經濟狀況大不如前。這位曾經富有過但卻沒有一定職位的人發現自己在經濟上處於困境，幸而他的朋友幫他弄到一筆每年200英鎊的養老金，使他得以維持中等但舒適的生活。五十五歲時，他的健康狀況惡化，研究工作減慢了。1878年當他六十歲時，焦耳發表了他的最後一篇論文。1878年，焦耳退休。

　　焦耳活到了七十一歲。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。後人為了紀念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。

　　焦耳定律

　　載流導體中產生的熱量Q（稱為焦耳熱）與電流I的平方、導體的電阻R、通電時間t成正比簡評：在去世前兩年，焦耳對他的弟弟的說，“我一生隻做了兩三件事，沒有什麽值得炫耀的。”相信對於大多數物理學家，他們隻要能夠做到這些小事中的一件也就會很滿意了。焦耳的謙虛是非常真誠的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂為他建造了紀念碑，並以他的名字命名能量單位，他將會感到驚奇的，雖然後人決不會感到驚奇。