【时空大人物】10.11热学大师：焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）1818年12月24日出生于英格兰北部曼彻斯特近郊的沙弗特（Salford）。

他的父亲是本杰明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858），一个富有的酿酒师（Brewing），他的母亲为爱丽丝·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。

焦耳出生时他们家在索尔福德的新贝利街，与他家的啤酒厂毗邻。 焦耳在年幼时因为身体健康原因一直在索尔福德附近彭德尔伯里（Pendlebury）的一个家庭学校里就学。

焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导，教给了他数学、哲学和化学方面的知识，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教会了焦耳理论与实践相结合的科研方法，激发了焦耳对化学和物理的兴趣，并在他的鼓励下决心从事科学研究工作。

1840年他的第一篇重要的论文于被送到英国皇家学会，当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间的关系，即焦耳定律。

焦耳提出能量守恒与转化定律：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变，奠定了热力学第一定律（能量不灭原理）之基础。

1834年，16岁的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会（Manchester Literary and Philosophical Society）的道尔顿的门下学习。 焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何。后来道尔顿因中风而退休。但是跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。焦耳后来又受约翰·戴维斯（John Davies (lecturer)）指导。焦耳兄弟俩对电学非常着迷，曾经实验过相互电击，还拿家里的仆人们做过实验。

焦耳在受道尔顿指导期间，于1835年进入曼彻斯特大学就读。毕业后开始参加经营自家的啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂，他在经营上都一直很活跃。 科学开始只是焦耳的一个爱好，直到后来他开始研究用新发明的电动机来替换啤酒厂的蒸汽机的可行性。

1838年，他的第一篇关于电学的科学论文被发表在《电学年鉴》（Annals of Electricity）上。这份学术期刊是由戴维斯的同事威廉·斯特金（William Sturgeon）创办和主持的。

1840年，他得出了焦耳定律的公式， 本来准备让皇家学会大吃一惊的，可后来发现自己被仅仅当作乡下的业余爱好者。当斯特金在1840年搬到曼彻斯特后，他和焦耳成为了这个城市知识分子的核心。他俩同感，科学和神学应该并且可能整合在一起。焦耳开始在斯特金的皇家维多利亚实践科学讲座（Royal Victoria Gallery of Practical Science）上开办讲座。曼彻斯特教堂里的焦耳的雕像

他后来认识到，在蒸汽机烧1磅煤所产生的热量是在革若夫电池（英语：Grove cell）（一种早期的电池）里消耗1磅锌所发出热量的5倍。 焦耳对“经济负荷”（economical duty）的通常标准是，将1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英语：Foot-pound (energy)）。

焦耳被弗朗兹·艾皮努斯（Franz Aepinus）的想法所影响，试图用被“振动形态的热质以太（calorific ether in a state of vibration）”所环绕的原子来解释电学和磁。

然而焦耳的兴趣从有关可以从给定来源提取多少功这样的狭隘的经济问题开始转向，最终到思考能量的可转换性。

1883年他发表了一些实验结果，显示他在1841年所定量化的热效应是因为导体本身的发热，而不是从装置其他部分传来的热量。 这个结论对当时的热质说是一个直接的挑战。热质说认为，热量既不能被创造，也不能被销毁。自从被拉瓦锡在1783年提出后，热质说一直是热学领域的主导性的理论。拉瓦锡的影响力再加上尼古拉·卡诺自1824年所提出的关于热机的热质理论在实践中的成功，使得既不在学术界又不在工程界的年轻的焦耳看起来前途坎坷。热质说的支持者准备指出，热电效应的对称性说明热能和电能是（至少大约）可以被一个可逆过程所相互转化的。

1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，并发表了关于这方面的论文而引起人们的注意。

1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。12月焦耳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。由于不久之后，俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律，该定律也称为焦耳-楞次定律。

1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量感生电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果，整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。焦耳

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。

1852年，他们发现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。这一现象后来被称为焦耳-汤姆逊效应。这个效应在低温和气体液化方面有广泛的应用。焦耳对蒸汽机的发展也做出了不少有价值的工作。

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，由于叶片和水的磨擦，水和量热器都变热了。焦耳的实验装置，1845年

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。

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。焦耳

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。虽然焦耳不停地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，当焦耳六十岁时，他发表了最后一篇论文。

1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。