詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule），英國物理學家。1818年12月24日出生於英格蘭北部曼徹斯特近郊的沙弗特（Salford）。

他的父親本傑明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858）是一個富有的釀酒師（Brewing），他的母親為愛麗絲·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。

焦耳出生時他們家在索爾福德的新貝利街，與他家的啤酒廠毗鄰。焦耳在年幼時因為身體健康原因一直在索爾福德附近彭德爾伯裏（Pendlebury）的一個家庭學校裏就學。

焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動，沒有受過正規的教育。青年時期，在別人的介紹下，焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導，教給了他數學、哲學和化學方面的知識，這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基礎。道爾頓教會了焦耳理論與實踐相結合的科研方法，激發了焦耳對化學和物理的興趣，並在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。

1834年，16歲的焦耳和他的哥哥本傑明被送到曼徹斯特文學與哲學學會（Manchester Literary and Philosophical Society）道爾頓的門下學習。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學習了兩年算術和幾何。後來道爾頓因中風而退休。但是跟隨道爾頓的這段經歷影響了焦耳的一生。焦耳後來又受約翰·戴維斯（John Davies (lecturer)）指導。焦耳兄弟倆對電學非常着迷，曾經實驗過相互電擊，還拿家裏的僕人們做過實驗。

焦耳在受道爾頓指導期間，於1835年進入曼徹斯特大學就讀。畢業後開始參加經營自家的啤酒廠，直到1854年賣出啤酒廠，他在經營上都一直很活躍。科學開始只是焦耳的一個愛好，直到後來他開始研究用新發明的電動機來替換啤酒廠的蒸汽機的可行性。

1838年，他的第一篇關於電學的科學論文發表在《電學年鑑》（Annals of Electricity）上。這份學術期刊是由戴維斯的同事威廉·斯特金（William Sturgeon）創辦和主持的。

1840年，他的第一篇重要的論文被送到英國皇家學會，當中指出電導體所發出的熱量與電流強度、導體電阻和通電時間的關係，即焦耳定律。本來準備讓皇家學會大吃一驚的，可後來發現自己被僅僅當作鄉下的業餘愛好者。

當斯特金在1840年搬到曼徹斯特後，他和焦耳成為了這個城市知識分子的核心。他倆同感，科學和神學應該並且可能整合在一起。焦耳開始在斯特金的皇家維多利亞實踐科學講座（Royal Victoria Gallery of Practical Science）上開辦講座。

他後來認識到，在蒸汽機燒1磅煤所產生的熱量是在革若夫電池（英語：Grove cell）（一種早期的電池）裏消耗1磅鋅所發出熱量的5倍。焦耳對“經濟負荷”（economical duty）的通常標準是，將1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英語：Foot-pound (energy)）。

焦耳被弗朗茲·艾皮努斯（Franz Aepinus）的想法所影響，試圖用被“振動形態的熱質以太（calorific ether in a state of vibration）”所環繞的原子來解釋電學和磁。

然而焦耳的興趣從有關可以從給定來源提取多少功這樣的狹隘的經濟問題開始轉向，最終到思考能量的可轉換性。

焦耳提出能量守恆與轉化定律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，它只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而能的總量保持不變，奠定了熱力學第一定律（能量不滅原理）之基礎。

1883年他發表了一些實驗結果，顯示他在1841年所定量化的熱效應是因為導體本身的發熱，而不是從裝置其他部分傳來的熱量。這個結論對當時的熱質説是一個直接的挑戰。熱質説認為，熱量既不能被創造，也不能被銷燬。自從被拉瓦錫在1783年提出後，熱質説一直是熱學領域的主導性的理論。拉瓦錫的影響力再加上尼古拉·卡諾自1824年提出的關於熱機的熱質理論在實踐中的成功，使得既不在學術界又不在工程界的年輕的焦耳看起來前途坎坷。熱質説的支持者準備指出，熱電效應的對稱性説明熱能和電能是（至少大約）可以被一個可逆過程所相互轉化的。

1837年，焦耳裝成了用電池驅動的電磁機，並發表了關於這方面的論文而引起人們的注意。

1840年，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水温。12月焦耳在英國皇家學會上宣讀了關於電流生熱的論文，提出電流通過導體產生熱量的定律。由於不久之後，俄國物理學家楞次也獨立發現了同樣的定律，該定律也稱為焦耳-楞次定律。

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，測量水温以計算熱量。這個電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水温的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果，整個過程不存在熱質的轉移。這一實驗結果完全否定了熱質説。

1843年8月21日，在英國學術會上，焦耳宣讀了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中説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温度變化，他在這方面取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與温度的關係的研究，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。

1852年，他們發現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温度都要下降。這一現象後來被稱為焦耳-湯姆遜效應。這個效應在低温和氣體液化方面有廣泛的應用。焦耳對蒸汽機的發展也做出了不少有價值的工作。

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，由於葉片和水的磨擦，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温度，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。接着又用水銀來代替水，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，他前後用各種方法進行了四百多次的實驗。

當焦耳在1847年的英國科學學會的會議上再次公佈自己的研究成果時，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恆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，焦耳憑藉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32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。雖然焦耳不停地進行着他的實驗測量工作，遺憾的是，他的科學創造性，特別是在物理概念方面的創造性，過早地就減少了。

1875年，英國科學協會委託他更精確地測量熱功當量。他得到的結果是4.15，非常接近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，當焦耳六十歲時，他發表了最後一篇論文。

1889年10月11日，焦耳在索福特逝世，享年71歲。

1840年12月，他在英國皇家學會上宣讀了關於電流生熱的論文，提出電流通過導體產生熱量的定律；由於不久俄國物理學家海因裏希·楞次也獨立地發現了同樣的定律，而被稱為焦耳-楞次定律。

用公式表示如下：Q=I^2*Rt(J)

I=通過導體的電流，單位（安培）：A

R=導體的有效電阻，單位（歐姆）：Ω

t=通電時間，單位（秒）：s

焦耳的主要貢獻是他鑽研並測定了熱和機械功之間的當量關係。這方面研究工作的第一篇論文《關於電磁的熱效應和熱的功值》，是在1843年英國《哲學雜誌》第23卷第3輯上發表的。此後，他用不同材料進行實驗，並不斷改進實驗設計，結果發現儘管所用的方法、設備、材料各不相同，結果都相差不遠；並且隨着實驗精度的提高，趨近於一定的數值。

最後他將多年的實驗結果寫成論文發表在英國皇家學會《哲學學報》1850年第140捲上，其中闡明：

第一，不論固體或液體，摩擦所產生的熱量，總是與所耗的力的大小成比例。

第二，要產生使1磅水（在真空中稱量，其温度在50～60華氏度之間）增加1華氏度的熱量，需要耗用772磅重物下降1英尺的機械功。

他精益求精，直到1878年還有測量結果的報告。

他近40年的研究工作，為熱運動與其他運動的相互轉換、運動守恆等問題，提供了無可置疑的證據，焦耳因此成為能量守恆定律的發現者之一。

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1852年焦耳和w.湯姆孫（即開爾文）發現氣體自由膨脹時温度下降的現象，被稱為焦耳-湯姆孫效應。這效應在低温和氣體液化方面有廣泛應用。他對蒸汽機的發展作了不少有價值的工作。

最初對焦耳的工作的一些反對是因為他的工作依賴於極端精確的測量。他聲稱可以將温度的測量精確到¹⁄₂₀₀℉（3mK）以內。這個精度在當時的實驗物理領域是很不尋常的。不過焦耳的懷疑者可能忘了焦耳在釀酒方面的經歷。而且他還得到測量儀器製作家約翰·本傑明·丹瑟（John Benjamin Dancer）的大力支持。

德國的赫爾曼·亥姆霍茲卻開始熟悉焦耳的工作以及尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾在1842的類似研究。雖然這兩人在各自發表了自己的工作後都被一直忽視，但亥姆霍茲在1847年結論性的宣佈能量守恆定律時承認了他倆的貢獻。

此外在1847年英國協會於牛津的會議上，焦耳也做了一個報告，當時的聽眾中有喬治·斯托克斯、邁克爾·法拉第以及超前且獨立特行的威廉·湯姆森，也就是後來的開爾文男爵。開爾文當時已經被聘為格拉斯哥大學的自然哲學教授。斯托克斯是“傾向成為一個焦耳（inclined to be a Joulite）”，法拉第雖然心存懷疑但還是“被焦耳的理論所震驚（much struck with it）”。開爾文被迷住了但還是有所懷疑。

這一年的晚些時候，開爾文與焦耳又在霞慕尼不期而遇。焦耳當時剛和阿米莉婭·葛萊姆絲（Amelia Grimes）在8月18日結婚後來到此地度蜜月。儘管焦耳還在婚禮的熱情中，他還是和開爾文安排了幾日後去測量色朗契斯（Sallanches）瀑布頂部和底部的温度差。焦耳認為瀑布衝下時的能量改變，會稍微增加水的熱量與温度。但是在大自然下，還有許多其他的因素會影響水温，所以他們沒有收穫。

雖然開爾文覺得焦耳的結果需要理論的解釋，但他還後退併為卡諾-克拉佩龍學派辯護。當開爾文在1848年報導絕對温度時，他寫到，“熱量（或者卡路里）轉化為機械能的效應不太可能且肯定無法證實。”但是在他的一個腳註裏暗示了他的最初的對熱質説的懷疑，他參考了焦耳的“非常讓人印象深刻的發現”。當焦耳讀到開爾文的一篇文章後寫信給他，聲稱自己的實驗已經顯示了熱量向功的轉化，但還是在準備做更進一步的實驗。讓人吃驚的是，開爾文沒有回寄給焦耳他自己文章的拷貝。開爾文在回信中提到，他正在準備自己的實驗，並且希望能調和兩人的觀點。雖然開爾文在之後的兩年裏並沒有進行新的實驗，但他越來越不滿卡諾的理論，轉而相信焦耳的觀點。在1851的文章裏，開爾文願意做一個折中，承認“整個熱的動能理論是基於……兩個……前提，分別是焦耳和卡諾-克拉佩龍的理論（the whole theory of the motive power of heat is founded on ... two ... propositions, due respectively to Joule, and to Carnot and Clausius）”。

當焦耳一讀到這篇文章，他馬上寫信給開爾文談了他的評論和問題。隨後倆人通過大量的通信開始了富有成果的合作。焦耳進行實驗，開爾文分析實驗結果並建議進一步的實驗。這個合作從1852年持續到1856年，他們的成果中包括有焦耳-湯姆孫效應。關於這個成果的發表論文使得焦耳的研究和分子運動論被人們廣泛接受。

動力學是有關運動的科學。焦耳是道爾頓的學生，所以不奇怪他深深信任原子理論，而儘管同時代的許多科學家還在懷疑該理論。他也是少數能夠接受當時還在被忽視的約翰·赫帕斯的氣體的動力學理論的人之一。他後來深深的被彼得·愛華德（Peter Ewart）在1813年的一篇文章“論動力的測量（On the measure of moving force）”所影響。

焦耳察覺到了他的發現和熱動力學理論之間的關係。他的實驗筆記表明，他相信熱是旋轉運動而不是平移運動的一種形式。

焦耳無法抗拒在弗蘭西斯·培根、艾薩克·牛頓爵士、約翰·洛克、倫福德伯爵和漢弗裏·戴維爵士等前人那找到自己觀點的前例。雖然這些觀點都是有道理的，但焦耳還是根據倫福德發表的文章估計出一個熱功當量值，1034ft·lbf/Btu。一些現代作者已經從根本上批判了這個方法，認為倫福德的實驗無法代表着系統的定量測量。在焦耳的一篇個人筆記中，他斷言邁爾的測量並不比倫福德的更精確，可能希望邁爾沒有參加過他自己的工作。焦耳對解釋綠閃光現象也有所貢獻，他在1869年給曼徹斯特文學與哲學學會的一封信中提到這個現象。

1850年焦耳當選為英國皇家學會會員。

1889年10月11日，焦耳在塞爾的家中逝世，被安葬在該市的布魯克蘭（英語：Brooklands, Trafford）公墓。在他的墓碑上刻有數字“772.55”，這是他在1878年的關鍵測量中得到的熱功當量值。墓碑上還刻有約翰福音的一段話，“趁着白日，我們必須做那差我來者的工；黑夜將到，就沒有人能做工了。”位於索爾的威瑟斯本酒館改為以他的名字命名。

無論是在實驗方面，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。

在去世前兩年，焦耳對他的弟弟的説：“我一生只做了兩三件事，沒有什麼值得炫耀的。”相信對於大多數物理學家，他們只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，雖然後人決不會感到驚奇。

十八世紀，人們對熱的本質的研究走上了一條彎路：“熱質説”在物理學史上統治了一百多年。雖然曾有一些科學家對這種錯誤理論產生過懷疑，但人們一直沒有辦法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·焦耳為最終解決這一問題指出了道路。