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第八十一章 杰出的物理学家焦耳

　　焦耳（1818～1889）是英国人，1818年12月24日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着爸爸酿酒，没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了著名化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。

　　有一次，焦耳与哥哥一块找来一匹跛马，把电流通到马身上，马受到刺激便狂跳起来。焦耳记下电流的大小和马的狂跳程度，说这是用马来观察电击实验。还有一次，焦耳用火药枪发出的巨响做回声实验。为使响声更大些，他向枪膛中装了三倍的火药，结果枪口喷出的火焰把焦耳的眉毛都烧光了。

　　24岁时，焦耳开始对通电导体放热的问题进行深入的研究。他把父亲的一间房子改成实验室，一有空便钻到实验室里忙个不停。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上，做成一个电热器。然后把电热器放入一个玻璃瓶中，瓶中装有已知质量的水。给电热器通电并开始计时，用鸟羽毛轻轻搅动水，使水温度均匀。从插在水中的温度计，可随时观察到水温的变化。同时用电流计测出电流的大小。焦耳把这种实验做了一次又一次，大量数据使焦耳发现：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。

　　焦耳把这一实验规律写成论文《关于金属导体和电池在电解时放出的热》，并于1841年发表在英国《哲学杂志》上。然而，论文并没有引起学术界的重视。因为在一些学者们看来，电与热的关系不能那么简单，况且焦耳只是一个酿酒师，又没有大学文凭。一年后，俄国彼德堡科学院院士楞次也做了电与热的实验，并得到与焦耳完全一致的结果。焦耳的论文才得到重视，后来人们把这个定律叫做焦耳定律。

　　1843年8月21日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。

　　1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化，他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究，焦耳计算出了气体分子的热运动速度值，从理论上奠定了波义耳—马略特和盖—吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力的实质。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉·汤姆生（后来受封为开尔文勋爵，既JJ·汤姆逊）共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降，这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被称为焦耳—汤姆生效应。

　　无论是在实验方面，还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的立场出发进行深入研究的先驱者之一。

　　在从事这些研究的同时，焦耳并没有间断对热功当量的测量。1847年，焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的摩擦，水和量热器都变热了。根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功；根据量热器内水的升高的温度，就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。

　　焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了热功当量的平均值为423.9千克米/千卡。接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到1878年，这时距他开始进行这一工作将近四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。他在1849年用摩擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克重米/千卡。一个重要的物理常数的测定，能保持三十年而不作较大的更正，这在物理学史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量J的值，它比现在J的公认值——427千克米/千卡约小0.7%。在当时的条件下，能做出这样精确的实验来，说明焦耳的实验技能是多么的高超啊！

　　然而，当焦耳在1847年的英国科学学会的会议上再次公布自己的研究成果时，他还是没有得到支持，很多科学家都怀疑他的结论，认为各种形式的能之间的转化是不可能的。直到1850年，其他一些科学家用不同的方法获得了能量守恒定律和能量转化定律，他们的结论和焦耳相同，这时焦耳的工作才得到承认。

　　1850年，焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员。当时他三十二岁。两年后他接受了皇家勋章。许多外国科学院也给予他很高的荣誉。虽然焦耳不断进行着他的实验测量工作，遗憾的是，他的科学创造性，特别是在物理概念方面的创造性，过早地就减少了。1875年，英国科学协会委托他更精确地测量热功当量。他得到的结果是4.15，非常接近目前采用的值1卡=4.184焦耳。1875年，焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境，幸而他的朋友帮他弄到一笔每年200英镑的养老金，使他得以维持中等但舒适的生活。五十五岁时，他的健康状况恶化，研究工作减慢了。1878年当他六十岁时，焦耳发表了他的最后一篇论文。1878年，焦耳退休。

　　焦耳活到了七十一岁。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。后人为了纪念焦耳，把功和能的单位定为焦耳。

　　焦耳定律

　　载流导体中产生的热量Q（称为焦耳热）与电流I的平方、导体的电阻R、通电时间t成正比简评：在去世前两年，焦耳对他的弟弟的说，“我一生只做了两三件事，没有什么值得炫耀的。”相信对于大多数物理学家，他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意了。焦耳的谦虚是非常真诚的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪念碑，并以他的名字命名能量单位，他将会感到惊奇的，虽然后人决不会感到惊奇。