【時空大人物】10.11熱學大師：焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）1818年12月24日出生於英格蘭北部曼徹斯特近郊的沙弗特（Salford）。

他的父親是本傑明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858），一個富有的釀酒師（Brewing），他的母親為愛麗絲·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。

焦耳出生時他們家在索爾福德的新貝利街，與他家的啤酒廠毗鄰。焦耳在年幼時因為身體健康原因一直在索爾福德附近彭德爾伯里（Pendlebury）的一個家庭學校裡就學。

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，教給了他數學、哲學和化學方面的知識，這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教會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，並在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。

1840年他的第一篇重要的論文於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係，即焦耳定律。

焦耳提出能量守恆與轉化定律：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。

1834年，16歲的焦耳和他的哥哥本傑明被送到曼徹斯特文學與哲學學會（Manchester Literary and Philosophical Society）的道爾頓的門下學習。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學習了兩年算術和幾何。後來道爾頓因中風而退休。但是跟隨道爾頓的這段經歷影響了焦耳的一生。焦耳後來又受約翰·戴維斯（John Davies (lecturer)）指導。焦耳兄弟倆對電學非常著迷，曾經實驗過相互電擊，還拿家裡的僕人們做過實驗。

焦耳在受道爾頓指導期間，於1835年進入曼徹斯特大學就讀。畢業後開始參加經營自家的啤酒廠，直到1854年賣出啤酒廠，他在經營上都一直很活躍。科學開始只是焦耳的一個愛好，直到後來他開始研究用新發明的電動機來替換啤酒廠的蒸汽機的可行性。

1838年，他的第一篇關於電學的科學論文被發表在《電學年鑑》（Annals of Electricity）上。這份學術期刊是由戴維斯的同事威廉·斯特金（William Sturgeon）創辦和主持的。

1840年，他得出了焦耳定律的公式， 本來準備讓皇家學會大吃一驚的，可後來發現自己被僅僅當作鄉下的業餘愛好者。當斯特金在1840年搬到曼徹斯特後，他和焦耳成為了這個城市知識分子的核心。他倆同感，科學和神學應該並且可能整合在一起。焦耳開始在斯特金的皇家維多利亞實踐科學講座（Royal Victoria Gallery of Practical Science）上開辦講座。曼徹斯特教堂裡的焦耳的雕像

他後來認識到，在蒸汽機燒1磅煤所產生的熱量是在革若夫電池（英語：Grove cell）（一種早期的電池）裡消耗1磅鋅所發出熱量的5倍。焦耳對“經濟負荷”（economical duty）的通常標準是，將1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英語：Foot-pound (energy)）。

焦耳被弗朗茲·艾皮努斯（Franz Aepinus）的想法所影響，試圖用被“振動形態的熱質以太（calorific ether in a state of vibration）”所環繞的原子來解釋電學和磁。

然而焦耳的興趣從有關可以從給定來源提取多少功這樣的狹隘的經濟問題開始轉向，最終到思考能量的可轉換性。

1883年他發表了一些實驗結果，顯示他在1841年所定量化的熱效應是因為導體本身的發熱，而不是從裝置其他部分傳來的熱量。這個結論對當時的熱質說是一個直接的挑戰。熱質說認為，熱量既不能被創造，也不能被銷毀。自從被拉瓦錫在1783年提出後，熱質說一直是熱學領域的主導性的理論。拉瓦錫的影響力再加上尼古拉·卡諾自1824年所提出的關於熱機的熱質理論在實踐中的成功，使得既不在學術界又不在工程界的年輕的焦耳看起來前途坎坷。熱質說的支持者準備指出，熱電效應的對稱性說明熱能和電能是（至少大約）可以被一個可逆過程所相互轉化的。

1837年，焦耳裝成了用電池驅動的電磁機，並發表了關於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於電流生熱的論文，提出電流通過導體產生熱量的定律。由於不久之後，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。焦耳

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1千卡的熱量相當於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係的研究，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，並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。這一現像後來被稱為焦耳-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：他在量熱器裡裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。焦耳的實驗裝置，1845年

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，他已前後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佈自己的研究成果時，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恆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。焦耳

1850年，焦耳憑藉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，兩年後他接受了皇家勳章。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，英國科學協會委託他更精確地測量熱功當量。他得到的結果是4.15，非常接近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於困境，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，當焦耳六十歲時，他發表了最後一篇論文。

1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。