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焦耳 Joule, James Prescott (1818.12.24~1889.10.11)
發佈者:系統管理員 (2012-05-14 16:39:10)
最後修改者:系統管理員 (2012-05-14 23:57:09)
焦耳(James Prescott Joule,l818~1889),英國物理學家。1849年6月21日焦耳將自己測定熱功當量的實驗論文提交給了皇家學會。從而第一個用實驗驗證了能量守恆與轉化定律。這個定律可敘述為: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。
生平簡敘
  焦耳1818年12月24日生於英國曼徹斯特附近索爾福德的一個啤酒廠廠主家庭。
 
  從童年時代時,焦耳就在家裡接受父母的啟蒙教育,後來一邊跟父親學習釀酒技術一邊自學。
 
  1834年,父親把年近70的著名化學家道爾頓請到家中,給16歲的焦耳當家庭教師,指導他學習初等數學、自然哲學和化學。從1837年開始,焦耳對物理學產生了濃厚的興趣,他先研究電學和磁學方面的問題確定一定的電流所產生的熱量。並於這一年發表了關於這一問題的論文,從而引起了人們的注意。
 
   1839年,焦耳把釀酒廠的一間房子布置成實驗室,在裡面做了一系列物理實驗,取得了不少重要成果,為他建立熱的動力學說打下了堅實基礎。1840年12月,焦耳在英國皇定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,由於不久冷次也獨立地發現了同樣的定律,因而被稱為焦耳一冷次定律。
 
  1843年,焦耳在一位朋友的鼓勵下,前往蘇格蘭報考自然哲學教授,因他很少接受正規教育,沒有正式學歷,遭到拒絕,焦耳沒有氣餒,他繼續研究熱功關係。
 
  1847年焦耳有幸會見了英國著名物理學家湯木生(開爾文勛爵),他們之間建立了友誼,並合作進行能量守恆等問題的研究。他對蒸汽機的發展做了不少有價值的工作,1848年他發表了一篇關於氣體運動論的論文,文中他第一次計算了有關氣體分子的速度。
 
  1852年焦耳和湯木生發現氣體自由膨脹時溫度下降的現象,被稱為焦耳一湯木生效應。這效應在低溫和氣體液化方面有廣泛的應用。
 
  1850年,焦耳當選為英國皇家學會會員。1866年,由於他在熱學、熱力學和電方面的貢獻,皇家學會授予他科普利獎章。1872~1887年,焦耳任英國科學技術協會主席。
 
  1889年10月11日,焦耳在英格蘭紫郡的塞爾逝世,享年71歲。後人為了紀念他,把能量或功的單位命名為"焦耳",簡稱"焦";並且用焦耳的拉丁文拼法的第一個字母J來標記熱功當量。
重大貢獻
1.能量守恆與轉化定律
2.J=4.203焦耳/卡  
科學貢獻
  焦耳在物理學上的主要貢獻,就是研究並測量了熱和機械功之間的當量關係(熱功當量的概念,是由邁爾在1842年提出的)。他在這方面研究工作的第一篇論文《電磁的熱效應和熱的功值》,是1843年在英國《哲學雜誌》第二十三卷第三輯上發表的。他用磁電機發出的電流通入導體以產生熱量,比較在通路時轉動磁電機所做的功,和在斷路時所做的功之差,與所得的熱量來決定熱功當量的數值。其測量結果為J=4.432焦耳/卡。後改變測量的方法,將壓縮某定量空氣所需要的功與壓縮時產生的熱量作比較。
 
  經過多次實驗,於1845年發表論文,指出測定結果為J=4.281焦耳/卡。後又根據水通過細管運動放出的熱量來測定熱功當量,測定結果為J=4.167焦耳/卡。不久,又改用轉動手輪推動流體摩擦測定熱功當量的新方法。這就是物理教課書介紹的測量方法。焦耳自己描述了儀器裝置和實驗結果:這個實驗"是一個在水罐中水平操作的鋼製划水輪,運動可以通過重物、滑輪等工具傳到罐中的槳","槳在水罐中轉動時,遇到的阻力很大,所以重物【各4磅(合1816克)】下落的速率很慢,大約l英尺/秒(合30.48釐米/秒),滑輪離地的高度是12碼(合10,97米),結果在重物落到盡頭時,滑索須重新繞起,以使槳可以再行轉動。這樣操作16次以後,就用一個靈敏度很高、很準確的溫度計測量水所提高的溫度"。焦耳對此實驗連續做了9次,實驗過程中都排除大氣的冷效應和熱效應。測定結果為J=4.792焦耳/卡。
 
  又過了一段時間,焦耳利用同樣的實驗設備,不僅用水進行測定,又用鯨腦油進行實驗,做了大量實驗後,得到的平均值為J=4.203焦耳/卡。
焦耳測定熱功當量數值的重要實驗論文,是在1849年6月21日提交皇家學會的,並刊登於1850年《哲學學報》第140卷。在論文的最後,焦耳總結了論文所述的實驗,證明了下述兩點:
  第一,不論固體或液體,摩擦所生的熱量,總是與所消耗的功成比例的。
  第二,要使1磅(合454克)水[在真空裡稱量,其溫度在50~60℉之間]增加1℉的熱量,需要耗用77.2磅重物下降l英尺的機械功。即J=4.157焦耳/卡。
  儘管做了這麼多的工作,但焦耳仍不滿足,他精益求精,直到1878年還有新的測量結果的報告。自1843年起,在前後近40年的時間裡,焦耳共進行了400多次實驗,為能量守恆與轉化定律提供了無可置疑的證據,因而焦耳也是科學界公認的能量守恆與轉化定律的發現者之一。