詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的主要成就

2025年04月06日 17:57

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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。
用公式表示如下:Q=I^2*Rt(J)
I=通过导体的电流，单位：A；
R=导体的有效电阻，单位：Ω；
t=通电时间，单位：s。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。最初对焦耳的工作的一些反对是因为他的工作依赖于极端精确的测量。他声称可以将温度的测量精确到1⁄200℉（3mK）以内。这个精度在当时的实验物理领域是很不寻常的。不过焦耳的怀疑者可能忘了焦耳在酿酒方面的经历。而且他还得到测量仪器制作家约翰·本杰明·丹瑟（英语：John Benjamin Dancer）的大力支持。
德国的赫尔曼·亥姆霍兹却开始熟悉焦耳的工作以及尤利乌斯·罗伯特·冯·迈尔在1842的类似研究。虽然这两人在各自发表了自己的工作后都被一直忽视，但亥姆霍兹在1847年结论性的宣布能量守恒定律时承认了他俩的贡献。
此外在1847年英国协会于牛津的会议上，焦耳也做了一个报告，当时的听众中有乔治·斯托克斯、迈克尔·法拉第以及超前且独立特行的威廉·汤姆森，也就是后来的开尔文男爵。开尔文当时已经被聘为格拉斯哥大学的自然哲学教授。斯托克斯是“倾向成为一个焦耳（inclined to be a Joulite）”，法拉第虽然心存怀疑但还是“被焦耳的理论所震惊（much struck with it）”。开尔文被迷住了但还是有所怀疑。这一年的晚些时候，开尔文与焦耳又在霞慕尼不期而遇。焦耳当时刚和阿米莉娅·葛莱姆丝（Amelia Grimes）在8月18日结婚后来到此地度蜜月。尽管焦耳还在婚礼的热情中，他还是和开尔文安排了几日后去测量色朗契斯（英语：Sallanches）瀑布顶部和底部的温度差。焦耳认为瀑布冲下时的能量改变，会稍微增加水的热量与温度。但是在大自然下，还有许多其他的因素会影响水温，所以他们没有收获。
虽然开尔文觉得焦耳的结果需要理论的解释，但他还后退并为卡诺-克拉佩龙学派辩护。当开尔文在1848年报导绝对温度时，他写到，“热量（或者卡路里）转化为机械能的效应不太可能且肯定无法证实。” 但是在他的一个脚注里暗示了他的最初的对热质说的怀疑，他参考了焦耳的“非常让人印象深刻的发现”。当焦耳读到开尔文的一篇文章后写信给他，声称自己的实验已经显示了热量向功的转化，但还是在准备做更进一步的实验。让人吃惊的是，开尔文没有回寄给焦耳他自己文章的拷贝。开尔文在回信中提到，他正在准备自己的实验，并且希望能调和两人的观点。虽然卡尔文在之后的两年里并没有进行新的实验，但他越来越不满卡诺的理论，转而相信焦耳的观点。在1851的文章里，开尔文愿意做一个折中，承认“整个热的动能理论是基于……两个……前提，分别是焦耳和卡诺-克拉佩龙的理论（the whole theory of the motive power of heat is founded on ... two ... propositions, due respectively to Joule, and to Carnot and Clausius）”。
当焦耳一读到这篇文章，他马上写信给开尔文谈了他的评论和问题。随后俩人开始通过大量的通信开始了富有成果的合作。焦耳进行实验，开尔文分析实验结果并建议进一步的实验。这个合作从1852年持续到1856年，他们的成果中包括有焦耳-汤姆孙效应。关于这个成果的发表论文使得焦耳的研究和分子运动论被广为接受。动力学是有关运动的科学。焦耳是道尔顿的学生，所以不奇怪他深深信任原子理论，而尽管同时代的许多科学家还在怀疑该理论。他也是少数能够接受当时还在被忽视的约翰·赫帕斯的气体的动力学理论的人之一。他后来深深的被彼得·爱华德（英语：Peter Ewart）在1813年的一篇文章“论动力的测量（On the measure of moving force）”所影响。
焦耳察觉到了他的发现和热动力学理论之间的关系。他的实验笔记表明，他相信热是旋转运动而不是平移运动的一种形式。
焦耳无法抗拒在弗兰西斯·培根、艾萨克·牛顿爵士、约翰·洛克、伦福德伯爵和汉弗里·戴维爵士等前人那找到自己观点的前例。虽然这些观点都是有道理的，但焦耳还是根据伦福德发表的文章估计出一个热功当量值，1034ft·lbf/Btu。一些现代作者已经从根本上批判了这个方法，认为伦福德的实验无法代表着系统的定量测量。在焦耳的一篇个人笔记中，他断言迈尔的测量并不比伦福德的更精确，可能希望迈尔没有参加过他自己的工作。焦耳对解释绿闪光现象也有所贡献，他在1869年给曼彻斯特文学与哲学学会的一封信中提到这个现象。

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