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早年

  1892年的焦耳肖像

焦耳生于英格蘭北部曼徹斯特城的郊外索爾福德，他的父親是本杰明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858），一個(gè)富有的釀酒師，他的母親為愛(ài)麗絲·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。焦耳出生時(shí)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(shí)因?yàn)樯眢w健康原因一直在索爾福德附近彭德?tīng)柌铮ㄓ⒄Z(yǔ)：Pendlebury）的一個(gè)家庭學(xué)校里就學(xué)。1834年，16歲的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì)（英語(yǔ)：Manchester Literary and Philosophical Society）的道爾頓的門(mén)下學(xué)習(xí)。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學(xué)習(xí)了兩年算術(shù)和幾何。后來(lái)道爾頓因中風(fēng)而退休。但是跟隨道爾頓的這段經(jīng)歷影響了焦耳的一生。焦耳后來(lái)又受約翰·戴維斯（英語(yǔ)：John Davies (lecturer)）指導(dǎo)。焦耳兄弟倆對(duì)電學(xué)非常著迷，曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)相互電擊，還拿家里的仆人們做過(guò)實(shí)驗(yàn)。

焦耳在受道爾頓指導(dǎo)期間，于1835年進(jìn)入曼徹斯特大學(xué)就讀。畢業(yè)后開(kāi)始參加經(jīng)營(yíng)自家的啤酒廠，直到1854年賣(mài)出啤酒廠，他在經(jīng)營(yíng)上都一直很活躍。科學(xué)開(kāi)始只是焦耳的一個(gè)愛(ài)好，直到后來(lái)他開(kāi)始研究用新發(fā)明的電動(dòng)機(jī)來(lái)替換啤酒廠的蒸汽機(jī)的可行性。1838年，他的第一篇關(guān)于電學(xué)的科學(xué)論文被發(fā)表在《電學(xué)年鑒》（Annals of Electricity）上。這份學(xué)術(shù)期刊是由戴維斯的同事威廉·斯特金（英語(yǔ)：William Sturgeon）創(chuàng)辦和主持的。在1840年，他得出了焦耳定律的公式，本來(lái)準(zhǔn)備讓皇家學(xué)會(huì)大吃一驚的，可后來(lái)發(fā)現(xiàn)自己被僅僅當(dāng)作鄉(xiāng)下的業(yè)余愛(ài)好者。當(dāng)斯特金在1840年搬到曼徹斯特后，他和焦耳成為了這個(gè)城市知識(shí)分子的核心。他倆同感，科學(xué)和神學(xué)應(yīng)該并且可能整合在一起。焦耳開(kāi)始在斯特金的皇家維多利亞實(shí)踐科學(xué)講座（英語(yǔ)：Royal Victoria Gallery of Practical Science）上開(kāi)辦講座。

他后來(lái)認(rèn)識(shí)到，在蒸汽機(jī)燒1磅煤所產(chǎn)生的熱量是在革若夫電池（英語(yǔ)：Grove cell）（一種早期的電池。）里消耗1磅鋅所發(fā)出熱量的5倍。焦耳對(duì)“經(jīng)濟(jì)負(fù)荷”（economical duty）的通常標(biāo)準(zhǔn)是，將1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英語(yǔ)：Foot-pound (energy)）。。

焦耳被弗朗茲·艾皮努斯（英語(yǔ)：Franz Aepinus）的想法所影響，試圖用被“振動(dòng)形態(tài)的熱質(zhì)以太（calorific ether in a state of vibration）”所環(huán)繞的原子來(lái)解釋電學(xué)和磁。

然而焦耳的興趣從有關(guān)可以從給定來(lái)源提取多少功這樣的狹隘的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題開(kāi)始轉(zhuǎn)向，最終到思考能量的可轉(zhuǎn)換性。在1883年他發(fā)表了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示他在1841年所定量化的熱效應(yīng)是因?yàn)閷?dǎo)體本身的發(fā)熱，而不是從裝置其他部分傳來(lái)的熱量。這個(gè)結(jié)論對(duì)當(dāng)時(shí)的熱質(zhì)說(shuō)是一個(gè)直接的挑戰(zhàn)。熱質(zhì)說(shuō)認(rèn)為，熱量既不能被創(chuàng)造，也不能被銷(xiāo)毀。自從被拉瓦錫在1783年提出后，熱質(zhì)說(shuō)一直是熱學(xué)領(lǐng)域的主導(dǎo)性的理論。拉瓦錫的影響力再加上尼古拉·卡諾自1824年所提出的關(guān)于熱機(jī)的熱質(zhì)理論在實(shí)踐中的成功，使得既不在學(xué)術(shù)界又不在工程界的年輕的焦耳看起來(lái)前途坎坷。熱質(zhì)說(shuō)的支持者準(zhǔn)備指出，熱電效應(yīng)的對(duì)稱性說(shuō)明熱能和電能是（至少大約）可以被一個(gè)可逆過(guò)程所相互轉(zhuǎn)化的。

熱功當(dāng)量

  焦耳在1845年測(cè)量熱功當(dāng)量的裝置

焦耳在他1845年的文章里寫(xiě)道：

焦耳在這里采用了“活力（vis viva）”（能量用語(yǔ)）的說(shuō)法, 可能是因?yàn)榛羝娼鹕℉odgkinson）已經(jīng)讀了一篇于1844年4月發(fā)表在文學(xué)和哲學(xué)學(xué)會(huì)的對(duì)愛(ài)華德（英語(yǔ)：Peter Ewart）的“論動(dòng)力的測(cè)量（On the measure of moving force）”這篇文章的評(píng)論。

通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和測(cè)量，焦耳估計(jì)“熱功當(dāng)量”為，838ft·lbf（英語(yǔ)：Foot-pound (energy)）的功可以使1磅水的溫度升高1℉，相當(dāng)于4.51J/cal。1843年他在于科克召開(kāi)的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)（英語(yǔ)：British Association for the Advancement of Science）的一次會(huì)議的化學(xué)分場(chǎng)里宣布了他的結(jié)果，迎來(lái)的是一片沉默。

盡管遭遇到冷遇，焦耳還是不屈不饒的開(kāi)始尋找一種純機(jī)械的方法來(lái)顯示功和熱之間的轉(zhuǎn)化?？科仁顾鬟^(guò)穿孔的圓柱，他能夠測(cè)量到輕微的粘滯加熱（viscous heating）。他測(cè)得熱功當(dāng)量為770 ft·lbf/Btu（4.14 J/cal）。用電學(xué)方法和機(jī)械方法得到的熱功當(dāng)量值至少在同一數(shù)量級(jí)上的事實(shí)對(duì)焦耳來(lái)說(shuō)，是證明熱和功的可轉(zhuǎn)化性這一事實(shí)的有力證據(jù)。

焦耳接著又嘗試了第三條路。他測(cè)量了壓縮空氣所產(chǎn)生的熱量，得到熱功當(dāng)量的值為823 ft·lbf/Btu（4.43 J/cal）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)為焦耳的批評(píng)者提供了一個(gè)最容易的目標(biāo)發(fā)表各種異議，但最后都被焦耳通過(guò)聰明的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將預(yù)期中那些的反對(duì)給解決了。但是他的文章還是被皇家學(xué)會(huì)拒絕，他不得不改在《哲學(xué)雜志（英語(yǔ)：Philosophical Magazine）》上發(fā)表。在這篇文章中，焦耳直截了當(dāng)?shù)貟仐壛四峁爬たㄖZ和克拉佩龍的熱質(zhì)說(shuō)，但他的神學(xué)的動(dòng)機(jī)也變得很明顯：

1845年，焦耳在英國(guó)協(xié)會(huì)的于劍橋舉辦的會(huì)議上宣讀了他的論文“論熱功當(dāng)量”。在這份論文中，他報(bào)導(dǎo)了他最著名的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)重物下落時(shí)的機(jī)械功來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)放置于隔熱水桶中的帶轉(zhuǎn)槳的轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使水溫升高。由此他測(cè)得的熱功當(dāng)量為819 ft·lbf/Btu（4.41 J/cal）。

1850年，焦耳發(fā)表了一個(gè)修正的測(cè)量值，772.692 ft·lbf/Btu（4.159 J/cal）。這個(gè)值很接近20世紀(jì)初期采用的值，4.1860 J/cal。

理論的反響和與開(kāi)爾文的合作

  焦耳測(cè)量熱功當(dāng)量的裝置的示意圖

最初對(duì)焦耳的工作的一些反對(duì)是因?yàn)樗墓ぷ饕蕾囉跇O端精確的測(cè)量。他聲稱可以將溫度的測(cè)量精確到?200℉（3mK）以內(nèi)。這個(gè)精度在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域是很不尋常的。不過(guò)焦耳的懷疑者可能忘了焦耳在釀酒方面的經(jīng)歷。而且他還得到測(cè)量?jī)x器制作家約翰·本杰明·丹瑟（英語(yǔ)：John Benjamin Dancer）的大力支持。

德國(guó)的赫爾曼·亥姆霍茲卻開(kāi)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(fā)表了自己的工作后都被一直忽視，但亥姆霍茲在1847年結(jié)論性的宣布能量守恒定律時(shí)承認(rèn)了他倆的貢獻(xiàn)。

此外在1847年英國(guó)協(xié)會(huì)于牛津的會(huì)議上，焦耳也做了一個(gè)報(bào)告，當(dāng)時(shí)的聽(tīng)眾中有喬治·斯托克斯、邁克爾·法拉第，以及當(dāng)時(shí)已經(jīng)被格拉斯哥大學(xué)聘為教授的年輕新人威廉·湯姆森（也就是后來(lái)的開(kāi)爾文男爵，Lord Kelvin）。斯托克斯“傾向成為一個(gè)焦耳主義者（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(kāi)爾文被迷住了，但還是有所懷疑。

這一年的晚些時(shí)候，開(kāi)爾文與焦耳又在霞慕尼不期而遇。焦耳當(dāng)時(shí)剛和阿米莉婭·葛萊姆絲（Amelia Grimes）在8月18日結(jié)婚后來(lái)到此地度蜜月。盡管焦耳還在婚禮的熱情中，他還是和開(kāi)爾文安排了幾日后去測(cè)量色朗契斯（英語(yǔ)：Sallanches）瀑布頂部和底部的溫度差。焦耳認(rèn)為瀑布沖下時(shí)的能量改變，會(huì)稍微增加水的熱量與溫度。但是在大自然下，還有許多其他的因素會(huì)影響水溫，所以他們沒(méi)有收獲。

雖然開(kāi)爾文覺(jué)得焦耳的結(jié)果需要理論的解釋，但他還后退并為卡諾-克拉佩龍學(xué)派辯護(hù)。當(dāng)開(kāi)爾文在1848年報(bào)導(dǎo)絕對(duì)溫度時(shí)，他寫(xiě)到，“熱量（或者卡路里）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效應(yīng)不太可能且肯定無(wú)法證實(shí)”。但是在他的一個(gè)腳注里暗示了他的最初的對(duì)熱質(zhì)說(shuō)的懷疑，他參考了焦耳的“非常讓人印象深刻的發(fā)現(xiàn)”。當(dāng)焦耳讀到開(kāi)爾文的一篇文章后寫(xiě)信給他，聲稱自己的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示了熱量向功的轉(zhuǎn)化，但還是在準(zhǔn)備做更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。讓人吃驚的是，開(kāi)爾文沒(méi)有回寄給焦耳他自己文章的拷貝。開(kāi)爾文在回信中提到，他正在準(zhǔn)備自己的實(shí)驗(yàn)，并且希望能調(diào)和兩人的觀點(diǎn)。雖然開(kāi)爾文在之后的兩年里并沒(méi)有進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)，但他越來(lái)越不滿卡諾的理論，轉(zhuǎn)而相信焦耳的觀點(diǎn)。在1851的文章里，開(kāi)爾文愿意做一個(gè)折中，承認(rèn)“整個(gè)熱的動(dòng)能理論是基于……兩個(gè)……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(dāng)焦耳一讀到這篇文章，他馬上寫(xiě)信給開(kāi)爾文談了他的評(píng)論和問(wèn)題。隨后倆人開(kāi)始通過(guò)大量的通信開(kāi)始了富有成果的合作。焦耳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開(kāi)爾文分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并建議進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)合作從1852年持續(xù)到1856年，他們的成果中包括有焦耳-湯姆孫效應(yīng)。關(guān)于這個(gè)成果的發(fā)表論文使得焦耳的研究和分子運(yùn)動(dòng)論被廣為接受。

分子運(yùn)動(dòng)論

動(dòng)力學(xué)是有關(guān)運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。焦耳是道爾頓的學(xué)生，所以不奇怪他深深信任原子理論，而盡管同時(shí)代的許多科學(xué)家還在懷疑該理論。他也是少數(shù)能夠接受當(dāng)時(shí)還在被忽視的約翰·赫帕斯的氣體的動(dòng)力學(xué)理論的人之一。他后來(lái)深深的被彼得·愛(ài)華德（英語(yǔ)：Peter Ewart）在1813年的一篇文章“論動(dòng)力的測(cè)量（On the measure of moving force）”所影響。

焦耳察覺(jué)到了他的發(fā)現(xiàn)和熱動(dòng)力學(xué)理論之間的關(guān)系。他的實(shí)驗(yàn)筆記表明，他相信熱是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不是平移運(yùn)動(dòng)的一種形式。

焦耳無(wú)法抗拒在弗蘭西斯·培根、艾薩克·牛頓爵士、約翰·洛克、倫福德伯爵和漢弗里·戴維爵士等前人那找到自己觀點(diǎn)的前例。雖然這些觀點(diǎn)都是有道理的，但焦耳還是根據(jù)倫福德發(fā)表的文章估計(jì)出一個(gè)熱功當(dāng)量值，1034 ft·lbf/Btu。一些現(xiàn)代作者已經(jīng)從根本上批判了這個(gè)方法，認(rèn)為倫福德的實(shí)驗(yàn)無(wú)法代表著系統(tǒng)的定量測(cè)量。在焦耳的一篇個(gè)人筆記中，他斷言邁爾的測(cè)量并不比倫福德的更精確，可能希望邁爾沒(méi)有參加過(guò)他自己的工作。焦耳對(duì)解釋綠閃光現(xiàn)象也有所貢獻(xiàn)，他在1869年給曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì)的一封信中提到這個(gè)現(xiàn)象。

榮譽(yù)與頭銜

在50多年的學(xué)術(shù)生涯中，焦耳所獲得的榮譽(yù)和頭銜有：

皇家學(xué)會(huì)院士（1850）

曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì)（英語(yǔ)：Manchester Literary and Philosophical Society）主席（1860）

英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)（英語(yǔ)：British Association for the Advancement of Science）主席（1872、1887）

榮譽(yù)學(xué)位：

由王室?？睿ㄓ⒄Z(yǔ)：civil list）撥出的津貼，每年200英鎊，以獎(jiǎng)勵(lì)他對(duì)科學(xué)的奉獻(xiàn)（1878）

皇家文藝學(xué)會(huì)的阿爾伯特獎(jiǎng)?wù)拢ㄓ⒄Z(yǔ)：Albert Medal (RSA)）（1880）

1889年10月11日，焦耳在塞爾的家中逝世，被埋葬在該市的布魯克蘭（英語(yǔ)：Brooklands, Trafford）公墓。在他的墓碑上刻有數(shù)字“772.55”，這是他在1878年的關(guān)鍵測(cè)量中得到的熱功當(dāng)量值。墓碑上還刻有約翰福音的一段話，“趁著白日，我們必須做那差我來(lái)者的工；黑夜將到，就沒(méi)有人能做工了”（約翰 9:4）。位于索爾的威瑟斯本酒館改為以他的名字命名。

盡管焦耳沒(méi)有葬于西敏寺，但還是在那為他舉行了紀(jì)念儀式。

由阿爾弗雷·德吉爾伯特（英語(yǔ)：Alfred Gilbert）完成的塑像坐落在曼徹斯特市政廳中，與道爾頓的塑像相對(duì)。

代表作

Joule, J. P. The Scientific Papers of James Prescott Joule. London: Dawsons of Pall Mall. 1963. 

參見(jiàn)

焦耳

焦耳定律

參考書(shū)籍

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延伸閱讀

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