詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

meifaxianzi 2014-04-23

展开全文

1 人物简介

　　詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（JamesPrescottJoule；1818年12月24日－1889年10月11日），英国物理学家，出生于曼彻斯特近郊的沙弗特（Salford）。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，向他虚心的学习了数学、哲学和化学，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教诲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。

　　他的第一篇重要的论文于1840年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，此即焦耳定律。（一直沿用至今）

　　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。

　　当选为英国皇家学会会员。由于他在热学、热力学和电方面的贡献，皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章（CopleyMedal）。

2 人物经历

　　焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特，他的父亲是一个酿酒厂主。

　　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。

　　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。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。

　　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。

　　1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。

3 人物成就

3.1 焦耳定律的发现

　　1840年12月，他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 э . х . 楞次也独立地发现了同样的定律，而被称为焦耳-楞次定律。

3.2 热功当量的测定

　　焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》，是1843年在英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的。此后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同，结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的数值。最后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上，其中阐明：第一，不论固体或液体，摩擦所产生的热量，总是与所耗的力的大小成比例。第二，要产生使1磅水（在真空中称量，其温度在50～60华氏度之间）增加1华氏度的热量，需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功。他精益求精，直到1878年还有测量结果的报告。他近40年的研究工作，为热运动与其他运动的相互转换，运动守恒等问题，提供了无可置疑的证据，焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。

3.3 在热力学方面的成就

　　1852年焦耳和w. 汤姆孙（即开尔文）发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳-汤姆孙效应。这效应在低温和气体液化方面有广泛应用。他对蒸汽机的发展作了不少有价值的工作。

4 所获荣誉

　　1850年焦耳当选为英国皇家学会会员。1866年由于他在热学、热力学和电方面的贡献，皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章（Copley Medal）。后人为了纪念他，把能量或功的单位命名为“焦耳”，简称“焦”；并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量。

5 人物评价

　　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。

　　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，虽然后人决不会感到惊奇。