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焦耳
來(lái)源：本站 | 作者：admin | 時(shí)間：2006-07-15 04:47:09 ]十八世紀(jì)，人們對(duì)熱的本質(zhì)的研究走上了一條彎路，“熱質(zhì)說(shuō)”在物理學(xué)史上統(tǒng)治了一百多年。雖然曾有一些科學(xué)家對(duì)這種錯(cuò)誤理論產(chǎn)生過(guò)懷疑，但人們一直沒(méi)有辦法解決熱和功的關(guān)系的問(wèn)題，是英國(guó)自學(xué)成才的物理學(xué)家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為最終解決這一問(wèn)題指出了道路。
焦耳1818年12月24日生于英國(guó)曼徹斯特，他的父親是一個(gè)釀酒廠主。焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動(dòng)，沒(méi)有受過(guò)正規(guī)的教育。青年時(shí)期，在別人的介紹下，焦耳認(rèn)識(shí)了著名的化學(xué)家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導(dǎo)。焦耳向他虛心學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)，這些知識(shí)為焦耳后來(lái)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。而且道爾頓教誨了焦耳理論與實(shí)踐相結(jié)合的科研方法，激發(fā)了焦耳對(duì)化學(xué)和物理的興趣。
焦耳最初的研究方向是電磁機(jī)，他想將父親的釀酒廠中應(yīng)用的蒸汽機(jī)替換成電磁機(jī)以提高工作效率。1837年，焦耳裝成了用電池驅(qū)動(dòng)的電磁機(jī)，但由于支持電磁機(jī)工作的電流來(lái)自鋅電池，而鋅的價(jià)格昂貴，用電磁機(jī)反而不如用蒸汽機(jī)合算。焦耳的最初目的雖然沒(méi)有達(dá)到，但他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電流可以做功，這激發(fā)了他進(jìn)行深入研究的興趣。
1840年，焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內(nèi)，測(cè)量不同電流強(qiáng)度和電阻時(shí)的水溫。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流強(qiáng)度的平方之積成正比。四年之后，俄國(guó)物理學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了焦耳關(guān)于電流熱效應(yīng)之結(jié)論的正確性。因此，該定律稱為焦耳—楞次定律。
焦耳總結(jié)出焦耳—楞次定律以后，進(jìn)一步設(shè)想電池電流產(chǎn)生的熱與電磁機(jī)的感生電流產(chǎn)生的熱在本質(zhì)上應(yīng)該是一致的。1843年，焦耳設(shè)計(jì)了一個(gè)新實(shí)驗(yàn)。將一個(gè)小線圈繞在鐵芯上，用電流計(jì)測(cè)量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測(cè)量水溫以計(jì)算熱量。這個(gè)電路是完全封閉的，沒(méi)有外界電源供電，水溫的升高只是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果，整個(gè)過(guò)程不存在熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全否定了熱質(zhì)說(shuō)。
上述實(shí)驗(yàn)也使焦耳想到了機(jī)械功與熱的聯(lián)系，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測(cè)量，焦耳終于測(cè)出了熱功當(dāng)量，但結(jié)果并不精確。1843年8月21日在英國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)上，焦耳報(bào)告了他的論文《論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》，他在報(bào)告中說(shuō)1千卡的熱量相當(dāng)于460千克米的功。他的報(bào)告沒(méi)有得到支持和強(qiáng)烈的反響，這時(shí)他意識(shí)到自己還需要進(jìn)行更精確的實(shí)驗(yàn)。
1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時(shí)的溫度變化，他在這方面取得了許多成就。通過(guò)對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)速度與溫度的關(guān)系的研究，焦耳計(jì)算出了氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)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(chǔ)，并解釋了氣體對(duì)器壁壓力的實(shí)質(zhì)。焦耳在研究過(guò)程中的許多實(shí)驗(yàn)是和著名物理學(xué)家威廉·湯姆生（后來(lái)受封為開(kāi)爾文勛爵）共同完成的。在焦耳發(fā)表的九十七篇科學(xué)論文中有二十篇是他們的合作成果。當(dāng)自由擴(kuò)散氣體從高壓容器進(jìn)入低壓容器時(shí)，大多數(shù)氣體和空氣的溫度都要下降，這一現(xiàn)象就是兩人共同發(fā)現(xiàn)的。這一現(xiàn)象后來(lái)被稱為焦耳—湯姆生效應(yīng)。
無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)方面，還是在理論上，焦耳都是從分子動(dòng)力學(xué)的立場(chǎng)出發(fā)進(jìn)行深入研究的先驅(qū)者之一。
在從事這些研究的同時(shí)，焦耳并沒(méi)有間斷對(duì)熱功當(dāng)量的測(cè)量。1847年，焦耳做了迄今認(rèn)為是設(shè)計(jì)思想最巧妙的實(shí)驗(yàn)：他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉(zhuǎn)軸，然后讓下降重物帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，由于葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。根據(jù)重物下落的高度，可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功；根據(jù)量熱器內(nèi)水的升高的溫度，就可以計(jì)算水的內(nèi)能的升高值。把兩數(shù)進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的準(zhǔn)確值來(lái)。
焦耳還用鯨魚(yú)油代替水來(lái)作實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了熱功當(dāng)量的平均值為423.9千克米/千卡。接著又用水銀來(lái)代替水，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，直到1878年，這時(shí)距他開(kāi)始進(jìn)行這一工作將近四十年了，他已前后用各種方法進(jìn)行了四百多次的實(shí)驗(yàn)。他在1849年用磨擦使水變熱的方法所得的結(jié)果跟1878年的是相同的，即為423.9千克重米/千卡。一個(gè)重要的物理常數(shù)的測(cè)定，能保持三十年而不作較大的更正，這在物理學(xué)史上也是極為罕見(jiàn)的事。這個(gè)值當(dāng)時(shí)被大家公認(rèn)為熱功當(dāng)量J的值，它比現(xiàn)在J的公認(rèn)值 ——427千克米/千卡約小0.7%。在當(dāng)時(shí)的條件下，能做出這樣精確的實(shí)驗(yàn)來(lái)，說(shuō)明焦耳的實(shí)驗(yàn)技能是多么的高超??！
然而，當(dāng)焦耳在1847年的英國(guó)科學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)議上再次公布自己的研究成果時(shí)，他還是沒(méi)有得到支持，很多科學(xué)家都懷疑他的結(jié)論，認(rèn)為各種形式的能之間的轉(zhuǎn)化是不可能的。直到1850年，其他一些科學(xué)家用不同的方法獲得了能量守恒定律和能量轉(zhuǎn)化定律，他們的結(jié)論和焦耳相同，這時(shí)焦耳的工作才得到承認(rèn)。
1850年，焦耳憑借他在物理學(xué)上作出的重要貢獻(xiàn)成為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。當(dāng)時(shí)他三十二歲。兩年后他接受了皇家勛章。許多外國(guó)科學(xué)院也給予他很高的榮譽(yù)。雖然焦耳不斷進(jìn)行著他的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作，遺憾的是，他的科學(xué)創(chuàng)造性，特別是在物理概念方面的創(chuàng)造性，過(guò)早地就減少了。1875年，英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)委托他更精確地測(cè)量熱功當(dāng)量。他得到的結(jié)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(jīng)濟(jì)狀況大不如前。這位曾經(jīng)富有過(guò)但卻沒(méi)有一定職位的人發(fā)現(xiàn)自己在經(jīng)濟(jì)上處于困境，幸而他的朋友幫他弄到一筆每年200英鎊的養(yǎng)老金，使他得以維持中等但舒適的生活。五十五歲時(shí)，他的健康狀況惡化，研究工作減慢了。1878年當(dāng)他六十歲時(shí)，焦耳發(fā)表了他的最后一篇論文。1878年，焦耳退休。
焦耳活到了七十一歲。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。后人為了紀(jì)念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。
在去世前兩年，焦耳對(duì)他的弟弟的說(shuō)，“我一生只做了兩三件事，沒(méi)有什么值得炫耀的。”相信對(duì)于大多數(shù)物理學(xué)家，他們只要能夠做到這些小事中的一件也就會(huì)很滿意了。焦耳的謙虛是非常真誠(chéng)的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂為他建造了紀(jì)念碑，并以他的名字命名能量單位，他將會(huì)感到驚奇的，雖然后人決不會(huì)感到驚奇。
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