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物理學家——詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

詹姆斯普雷斯科特焦耳(jamesprescottjoule;1818年12月24日-1889年10月11日),英國物理學家,出生于曼徹斯特近郊的沙弗特(salford)。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,向他虛心的學習了數學、哲學和化學,這些知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教誨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,并在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。

他的第一篇重要的論文于1840年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系,此即焦耳定律。

焦耳提出能量守恒與轉化定律: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。

1818年12月24日,焦耳生于英國曼徹斯特,他的父親是一個釀酒廠主。

1837年,焦耳裝成了用電池驅動的電磁機,并發表了關于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溫。12月焦耳在英國皇家學會上宣讀了關于電流生熱的論文,提出電流通過導體產生熱量的定律。由于不久之后,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,測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的,沒有外界電源供電,水溫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說。

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1千卡的熱量相當于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,他在這方面取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關系的研究,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,并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溫度都要下降。這一現象后來被稱為焦耳-湯姆遜效應。這個效應在低溫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:他在量熱器里裝了水,中間安上帶有葉片的轉軸,然后讓下降重物帶動葉片旋轉,由于葉片和水的磨擦,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,他已前后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,兩年后他接受了皇家勛章。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面的創造性,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于困境,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,焦耳發表了他的最后一篇論文。

1889年10月11日,焦耳在索福特逝世。

1840年12月,他在英國皇家學會上宣讀了關于電流生熱的論文,提出電流通過導體產生熱量的定律;由于不久 э . х . 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^2rt(j)
 ; ; ; i=通過導體的電流,a;
 ; ; ; r=導體的有效電阻,ω;
 ; ; ; t=通電時間,s。

焦耳的主要貢獻是他鉆研并測定了熱和機械功之間的當量關系。這方面研究工作的第一篇論文《關于電磁的熱效應和熱的功值》,是1843年在英國《哲學雜志》第23卷第3輯上發表的。此后,他用不同材料進行實驗,并不斷改進實驗設計,結果發現盡管所用的方法、設備、材料各不相同,結果都相差不遠;并且隨著實驗精度的提高,趨近于一定的數值。最后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卷上,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,其溫度在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,運動守恒等問題,提供了無可置疑的證據,焦耳因此成為能量守恒定律的發現者之一。

1852年焦耳和w. 湯姆孫(即開爾文)發現氣體自由膨脹時溫度下降的現象,被稱為焦耳-湯姆孫效應。這效應在低溫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。

1850年焦耳當選為英國皇家學會會員。1866年由于他在熱學、熱力學和電方面的貢獻,皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章(copley medal)。后人為了紀念他,把能量或功的單位命名為焦耳,簡稱焦;并用焦耳姓氏的第一個字母j來標記熱量。

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