自學成才的物理學家焦耳-學習
Jan05
十八世紀，人們對熱的實質的研討走上了一條彎路，“熱質說”在物理學史上統治了一百多年。固然曾有一些科學家對這種過錯理論發生過猜忌，但人們一直沒有措施解決熱和功的關係的問題，是英國自學成才的物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為終極解決這一問題指出了途徑。
焦耳(1818-1889)1818年12月24日生於英國曼徹斯特，他的父親是一個釀酒廠主。焦耳自幼追隨父親加入釀酒勞動，沒有受過正規的教導。青年時代，在別人的先容下，焦耳認識了有名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱忱的教誨。焦耳向他虛心了數學、哲學和化學，這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基本。而且道爾頓教導了焦耳理論與實踐相聯合的科研方式，激發了焦耳對化學和物理的興致。
焦耳最初的研究方向是電磁機，他想將父親的釀酒廠中利用的蒸汽機調換成電磁機以進步工作效力。1837年，焦耳裝成了用電池驅動的電磁機，但由於支撐電磁機工作的電流來自鋅電池，而鋅的價錢昂貴，用電磁機反而不如用蒸汽機合算。焦耳的最初目標固然沒有到達，但他從實驗中發明電流可以做功，這激發了他進行深刻研究的興致。
1840年，焦耳把環形線圈放進裝水的試管內，丈量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發明：導體在必定時光內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。四年之後，俄國物理學家楞次頒布了他的大批試驗成果，從而進一步驗證了焦耳關於電流熱效應之結論的準確性。因此，該定律稱為焦耳—楞次定律。
焦耳總結出焦耳—楞次定律以後，進一步假想電池電流發生的熱與電磁機的感生電流發生的熱在實質上應當是一致的。1843年，焦耳設計了一個新實驗。將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以盤算熱量。這個電路是完整封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高隻是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果，全部進程不存在熱質的轉移。這一實驗結果完整否認了熱質說。
上述實驗也使焦耳想到了機械功與熱的接洽，經過重複的實驗、測量，焦耳終於測出了熱功當量，但成果並不準確。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撐和強烈的反應，這時他意識到自己還須要進行更準確的實驗。
1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和緊縮時的溫度變更，他在這方麵取得了很多成績。通過對氣體分子活動速度與溫度的關係的研究，焦耳盤算出了氣體分子的熱活動速度值，從理論上奠定了波義耳—馬略特和蓋—呂薩克定律的基本，並說明了氣體對器壁壓力的本質。焦耳在研究進程中的很多實驗是和有名物理學家威廉·湯姆生（後來受封為開爾文勳爵）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結果。當自由擴散氣體從高壓容器進進低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要降落，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。
無論是在試驗方麵，還是在理論上，焦耳都是從分子動力學的態度動身進行深刻研究的先驅者之一。
在從事這些研討的同時，焦耳並沒有間斷對熱功當量的丈量。1847年，焦耳做了迄今以為是設計思想最奇妙的試驗：他在量熱器裏裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓降落重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。依據重物著落的高度，可以算出轉化的機械功；依據量熱器內水的升高的溫度，就可以盤算水的內能的升高值。把兩數進行比擬就可以求出熱功當量的正確值來。
焦耳還用鯨魚油取代水來作實驗，測得了熱功當量的均勻值為423.9千克米/千卡。接著又用水銀來取代水，精益求精實驗辦法，直到1878年，這時距他開端進行這一工作將近四十年了，他已前後用各種辦法進行了四百多次的實驗。他在1849年用磨擦使水變熱的方式所得的結果跟1878年的是雷同的，即為423.9千克重米/千卡。一個主要的物理常數的測定，能堅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以為熱功當量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，闡明焦耳的實驗技巧是多麽的高明啊！
然而，當焦耳在1847年的英國科學學會的會議上再次頒布自己的研討結果時，他還是沒有得到支撐，很多科學家都猜忌他的結論，以為各種情勢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式獲得了能量守恒定律和能量轉化定律，他們的結論和焦耳雷同，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主要貢獻成為英國皇家學會會員。當時他三十二歲。兩年後他接收了皇家勳章。很多外國科學院也給予他很高的聲譽。固然焦耳不斷進行著他的實驗測量工作，遺憾的是，他的科學發明性，特殊是在物理概念方麵的發明性，過早地就減少了。1875年，英國科學協會委托他更準確地丈量熱功當量。他得到的成果是4.15，非常接近目前采取的值1卡＝4.184焦耳。1875年，焦耳的經濟狀態大不如前。這位曾經富有過但卻沒有必定職位的人發明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，使他得以保持中等但舒適的生涯。五十五歲時，他的健康狀態惡化，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，焦耳在索福特去世。後人為了紀念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。
在逝世前兩年，焦耳對他的弟弟的說，“我一生隻做了兩三件事，沒有什麽值得誇耀的。”信任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足了。焦耳的謙遜是非常真摯的。很可能，假如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，他將會覺得驚奇的，雖然後人決不會覺得驚奇。
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