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詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

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詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule;1818年12月24日~1889年10月11日),英国物理学家,出 生于曼彻斯特近郊的沙弗特(Salford)。由于他在热学、热力学和电方面的贡献,皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章(Copley Medal)。后人为了纪念他,把能量或功的单位命名为“焦耳”,简称“焦”;并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量。

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescot Joule ,1817年-1889年),焦耳是英国著名物理学家。1818年12月24日生于索尔福。他父亲是酿酒厂的厂主。焦耳从小体弱不能上学,在家跟父亲学酿酒,并利用空闲时间自学化学、物理。他很喜欢电学和磁学,对实验特别感兴趣。后来成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家。

焦耳最早的工作是电学和磁学方面的研究,后转向对功热转化的实验研究。

1866年由于他在热学、电学和热力学方面的贡献,被授予英国皇家学会柯普莱金质奖章。

1872年—1887年焦耳任英国科学促进协会主席。

1889年10月11日焦耳在塞拉逝世。

1892 illustration of Joule

 

生平简介

 

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule;1818年12月24日-1889年10月11日),英国物理学家,出生于曼彻斯特近郊的沙弗特(Salford)。

焦耳没有上过学校,十五岁以前在家自学。因为家业的关系,他自小对酿酒很有兴趣,更在家自学化学及物理学。他在16岁时跟着英国物理兼化学学家约翰·道尔顿学习。完成学业后,开始经营自家酿酒厂,他希望以电动机代替蒸汽机。他的第一件研究便是寻求了改进电动机效率,这使他注意到热量产生的问题。

他的第一篇重要的论文于1840年被送到英国皇家学会,当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间的关系,此即焦耳定律。1847年焦耳与英国著名物理学家凯尔文勋爵(Lord Kelvin 即William Thomson)合作进行能量守恒等问题的研究。1849年焦耳提出能量守恒与转化定律:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只能从一种形式转化成另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而能的总量保持不变,奠定了热力学第一定律(能量不灭原理)之基础。

1850年焦耳当选为英国皇家学会院士。1866年由于他在热学、热力学和电方面的贡献,皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章(Copley Medal)。后人为了纪念他,把能量或功的单位命名为“焦耳”,简称“焦”;并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量。

 

早年

 

杰里的儿子焦耳(1784年至1858年),是一个富裕的酿酒商,1818年12月24日,詹姆斯斯科特焦耳出生在索尔福德新贝利街的焦耳家啤酒厂毗邻。詹姆斯是在一家名为'布鲁姆希尔'里被辅导,彭德尔伯里,近索尔福德,直到1834年当他被送到他的哥哥本杰明,与约翰道尔顿在曼彻斯特研究文学和哲学社会。两人只接受两年的教育,算术和几何。道尔顿由于中风被迫退休。但是,道尔顿的影响作出了深刻的印象一样,他的同伙,化学家威廉曼彻斯特的工程师亨利和彼得尤尔特和伊顿霍奇金森。焦耳后来被约翰戴维斯辅导。迷上了电,他和他的兄弟实验是电击彼此和家庭的仆人。焦耳成为啤酒厂的经理并对销售的业务产生了积极的作用,直至1854年。科学是一种业余爱好,但他很快就开始调查新发明的电动马达的可行性并取代啤酒厂的蒸汽机。1838年,他的第一篇科学论文的电费是“电力纪事”贡献,科学期刊创办和经营的是戴维斯的同事威廉鲟鱼。他制定了焦耳的法律,并希望在1840年英国皇家学会留下深刻的印象里面,而不是最后一次,他被认为是一个单纯的省级业余爱好者。当鲟鱼在1840年搬到曼彻斯特,焦耳成为一个圆的核心城市的知识分子。两人共用类似的同情,科学和神学应该可以进行整合。焦耳接着讲学鲟鱼的皇家维多利亚画廊实践科学。

他继续了解到在蒸汽机里燃烧一磅的煤,比在Grove cell(一种早期的电池)中燃烧一磅的锌多产生五倍的功率。焦耳一般规格的节约功率曾经举起一磅(呎-磅)。焦耳曾被Franz Aepinus的思想所影响而由原子被产生热的乙醚包围在不安定的晃动状态里的观点中,试着解释电学中的磁学的现象。

然而,焦耳的兴趣从狭隘的节约功率问题,转移到有多少功在给予的源头时就已被取得,引导他思考一些有关可转换的能源。在1843年时他出版实验的成果显示,由他在1841年量化的加热效果源于导体里的热的产生转移到另一个部分的装备,这对卡路里学说里支持“热量既无法被制造,也无法被破坏”的原则来说是一个直接的挑战。卡路里学说早已在1783年被安托万-洛朗·德·拉瓦锡提出时就已在热量学说中占有主要地位。Lavoisier的声望和Sadi Carnot的在1824年的卡路里学说中加热引擎的实际成就,保护了年轻的焦尔不管是在外面、学术界或是工程师,都有一条艰难的路在前方。卡路里学说的支持者很快的指出与帕耳帖效应中的对称性,而声称热量和电流是可转换的,或至少是能以反向转换来模拟的。

Joule's apparatus for measuring the mechanical equivalent of heat

 

力学等量的热

 

焦耳在他1845年里的报告中写道:

“…力学的力量发挥在磁力发电机中会经由线圈的电磁感应而转变成热量,另外,被电镀的具有磁性的机械之原动力,存在于因为电池的化学反应处理过后而产生的热量。

焦耳采纳了vis viva(一种能源)的表达方式,极有可能是因为Hodgkinson已经再1844年四月获悉一个有关Ewart的 “ 行进中力量的测量 ” 给文艺和社会哲学界的评论。

焦耳更进一步的经验与测量领导他判断力学的力量发挥以838 ft•lbf的功把一磅的水提高华氏一度。1843年,他在科克城里的化学界中的 “ 英国科学自然发展公会 ” 宣布他的实验成果,之后却被忽略与忘却。

但是焦耳还是无惧的继续做研究,他开始寻找纯粹力学证明功转换成热。使用迫使水穿过有穿孔的圆柱的方式,他能够测量微量加热的黏性液体。他获得的数据是770 ft•lbf/Btu (4.14 J/cal)。这个事实使的这个测量标准得到电力学和纯力学的承认,被归为一大重要秩序。对焦耳来说,是一个对功与热可转换的这项事实的重要证明。 焦耳继续尝试了第三条途径。他开始测量在压缩的气体中由热产生的功。他得到机械等值的数字823 ft•lbf/Btu (4.43 J/cal)。在很多方面,这个经验提供著摒持批评态度对待焦耳的人一个最简易的目标,但是焦耳以熟练实验的除掉了预期中的障碍。然而,他的研究报告被上流社会否决,而且必须被容纳于Philosophical Magazine(哲学杂志)。在焦耳的这份研究报告中,他直截了当的指出摒弃Carnot and Émile Clapeyron的卡路里学说,但也因为如此,他的学说对神学的刺激越来越明显:

“我认为这个学说…被反对承认哲学原理是因为这个原理所引导出来的结论内容为vis viva会被不合适性质的机械摧毁:如此一来Mr Clapeyron汲取出的”当火的温度开始高于容器1000度到2000度,而热量从火炉转移到容器时,vis viva会产生巨大的耗损”的结果。”认为要被摧毁的力量属于创造者纯粹是我断言…任何一个理论实行需要力量的消灭必定是错误的。”焦耳在1845年时在剑桥读了他的研究报告On the mechanical equivalent of heat给英国联盟会议。在这个研究报告中,他描述了他最有名的经验,牵涉到隔离在一桶水中,落下的重量编造一个明轮所增加的温度正是他所测量的。他估计等量机械为819 ft•lbf/Btu (4.41 J/cal)。在1850年,焦耳出版了一个772.692 ft•lbf/Btu (4.159 J/cal)之精密的测量结果,与在20世纪时的估计值相当的接近。

Joule's gravestone in Brooklands cemetery, Sale.

 

接待和优先

 

为优先的争论与 Mayer,热功当量:优先级

大部分的初始阻力为焦耳的工作其依赖于非常精确的测量。他声称能够测量温度到1 /200一华氏度(3旺角)。这种精确肯定是不常见的当代实验物理,但怀疑者可能忽略了他的经验,在酝酿和他的艺术进入实用技术。他还出色地支持科学仪器制造商John Benjamin Dancer。

然而,在德国,赫尔曼亥姆霍兹意识到焦耳的工作和1842年朱利罗伯特冯迈耶两人都有类似的工作。虽然两人已被忽视,因为他们各自的出版物,亥姆霍兹的1847年宣言明确节约能源计入他们。此外,在1847年,另一个焦耳艺术在英国协会上牛津出席了乔治加布里埃尔斯托克斯,迈克尔法拉第和早熟、特立独行的威廉汤姆森,后来成为开尔文勋爵,他刚刚被任命为自然哲学的教授在格拉斯哥大学。斯托克斯是“愿意成为一个 Joulite“对法拉第“十分着迷“的人,尽管他怀有疑虑。汤姆森很感兴趣,但持怀疑态度。

意料之外,汤姆逊与焦耳今年末在夏蒙尼会面了。Joule在8月18日嫁给了Amelia Grimes,然后两人度蜜月去了。尽管婚姻的热情,焦耳和汤姆逊安排几天后实验测量Cascade de Sallanches的瀑布顶部和底部的温度差,虽然事后证明这是不切实际的。

汤姆森认为,虽然焦耳的业绩要求的是理论解释,他又回到了一所有着激烈的防卫的卡诺-克拉珀龙学校。他在1848年发明绝对温度,汤姆逊写道:“转换的热量(或热)转变为机械效应可能是不可能的,当然未被发现的则是一个脚注暗示他的第一个怀疑的热量理论,指的焦耳的发现是个“非常了不起的发现“。令人惊讶的是,汤姆森没有派给焦耳一份文件,但是当他最终读焦耳汤姆森说,他在10月6日声称他的研究已经证实的热量转化成工作,但他正计划进一步试验。汤姆森27日说,他透露自己的实验计划,希望为他们和解两种观点。汤姆逊虽然没有进行新的实验,但在未来两年,他越来越不满卡诺的理论并深信焦耳的理论。在他1851年的论文,汤姆逊愿意再让步超过一妥协,宣布

“整个理论的动力是建立在热......两个命题,分别因焦耳,卡诺和克劳修斯和“。

只要焦耳阅读这份文件,他写信给汤姆逊提供他的意见和问题。从而开始了富有成果的,虽然大部分书信,是两人之间的协作,焦耳进行实验,汤姆逊分析结果,并提出进一步的实验。该合作历经1852年至1856年,它的发现包括的Joule - Thomson效应,并公布结果,但把实现全面验收焦耳的工作和动力学理论。

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

 

分子运动论

 

分子运动论是一种有关物体移动的理论。焦尔是一个道尔顿市的青年,毫无疑问的他已经是原子论的虔诚信徒,即便有许多与他同期的科学家对此仍抱持怀疑得态度。他也曾经是少数人中能够接受John Herapath原子论中的”气体”~被废弃的报告。他同样也深受1813年Peter Ewart's的研究报告On the measure of moving force地影响。

焦尔察觉了他自己的研究和原子论中的关联性。他研究室中的笔记表现出他相信热量能够成为形式的流转循环,而不是平移的动作运行。

焦尔无法忍受在Francis Bacon,Sir Isaac Newton, John Locke, Benjamin Thompson (Count Rumford)和Sir Humphry Davy的研究报告中找到他之前的研究经验与观点。虽然这是有正当理由的,焦尔从Rumford的出版文章中去估计等量机械在1034 foot-pound时的热量。而有些评论家已批评Rumford的研究经验早已无法再次呈现系统已量化的测量结果。在他其中一个私人札记里,争论到Mayer的测量值没有Rumford的精确,大概希望Mayer还没预先考虑到他自己的研究。在1869年,焦尔把原因归咎于the Green Flash phenomenon,并写信至Manchester Literary 和Philosophical Society。

A statue of Joule in the Manchester Town Hall

 

科学研究

 

焦耳(James Prescort Joule,1818~1889)英国杰出的物理学家。1818年12月24日生于曼彻斯特附近的索尔福德。父亲是个富有的啤酒厂厂主。焦耳从小就跟父亲参加酿酒劳动,学习酿酒技术,没上过正规学校。16岁时和兄弟一起在著名化学家道尔顿门下学习,然而由于经常生病,学习时间并不长,但是道尔顿对他的影响极大,使他对科学研究产生了强烈的兴趣。1838年他拿出一间住房开始了自己的实验研究。他经常利用酿酒后的业余时间,亲手设计制作实验仪器,进行实验。焦耳一生都在从事实验研究工作,在电磁学、热学、气体分子动理论等方面均作出了卓越的贡献。他是靠自学成为物理学家的。 焦耳是从磁效应和电动机效率的测定开始实验研究的。他曾以为电磁铁将会成为机械功的无穷无尽的源泉,很快他发现蒸汽机的效率要比刚发明不久的电动机效率高得多。正是这些实验探索导致了他对热功转换的定量研究。

从1840年起,焦耳开始研究电流的热效应,写成了《论伏打电所生的热》、《电解时在金属导体和电池组中放出的热》等论文,指出:导体中一定时间内所生成的热量与导体的电流的二次方和电阻之积成正比。此后不久的1842年,俄国著名物理学家楞次也独立地发现了同样的规律,所以被称为焦耳-楞次定律。这一发现为揭示电能、化学能、热能的等价性打下了基础,敲开了通向能量守恒定律的大门。焦耳也注意探讨各种生热的自然“力”之间存在的定量关系。他做了许多实验。例如,他把带铁芯的线圈放入封闭的水容器中,将线圈与灵敏电流计相连,线圈可在强电磁铁的磁场间旋转。电磁铁由蓄电池供电。实验时电磁铁交替通断电流各15分钟,线圈转速达每分钟600次。这样,就可将摩擦生热与电流生热两种情况进行比较,焦耳由此证明热量与电流二次方成正比,他还用手摇、砝码下落等共13种方法进行实验,最后得出:“使1磅水升高1°F的热量,等于且可能转化为把838磅重物举高1英尺的机械力(功)”(合460千克重米每千卡)。总结这些结果,他写出《论磁电的热效应及热的机械值》论文,并在1843年8月21日英国科学协会数理组会议上宣读。他强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的,哪里消耗了机械能或电磁能,总在某些地方能得到相当的热。这对于热的动力说是极好的证明与支持。因此引起轰动和热烈的争议。 为了进一步说服那些受热质说影响的科学家,他表示:“我打算利用更有效和更精确的装置重做这些实验。”以后他改变测量方法,例如,将压缩一定量空气所需的功与压缩产生的热量作比较确定热功当量;利用水通过细管运动放出的热量来确定热功当量;其中特别著名的也是今天仍可认为是最准确的桨叶轮实验。通过下降重物带动量热器中的叶片旋转,叶片与水的摩擦所生的热量由水的温升可准确测出。他还用其他液体(如鲸油、水银)代替水。不同的方法和材料得出的热功当量都是423.9千克重·米每千卡或趋近于423.85千克重·米每千卡。 在1840~1879年焦耳用了近40年的时间,不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验,得出结论:热功当量是一个普适常量,与做功方式无关。他自己1878年与1849年的测验结果相同。后来公认值是427千克重·米每千卡。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数,为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。 1847年,当29岁的焦耳在牛津召开的英国科学协会会议上再次报告他的成果时,本来想听完后起来反驳的开尔文勋爵竟然也被焦耳完全说服了,后来两人合作得很好,共同进行了多孔塞实验(1852),发现气体经多孔塞膨胀后温度下降,称为焦耳-汤姆孙效应,这个效应在低温技术和气体液化方面有广泛的应用。焦耳的这些实验结果,在1850年总结在他出版的《论热功当量》的重要著作中。他的实验,经多人从不同角度不同方法重复得出的结论是相同的。1850年焦耳被选为英国皇家学会会员。此后他仍不断改进自己的实验。恩格斯把“由热的机械当量的发现(迈尔、焦耳和柯尔丁)所导致的能量转化的证明”列为19世纪下半叶自然科学三大发现的第一项。 定义 焦耳,能量、功、热的单位(J)。1J=1N·m,等于。或是1牛顿力的作用点在力的方向上移动1米距离所作的功,或1瓦的机械工作1秒的释放的能量。

Joule's Heat Apparatus, 1845.

 

焦耳定律

 

焦耳定律或焦耳-楞次定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。1841年,英国物理学家詹姆斯·焦耳发现载流导体中产生的热量Q(称为焦耳热)与电流I的平方、导体的电阻R和通电时间t成比例。而在1842年时,俄国物理学家海因里希·楞次也独立发现上述的关系,因此也称为“焦耳-楞次定律”。

采用国际单位制时,焦耳定律的表达式为:

Q = I^2·Rt 或 P = I^2·R
其中Q(热量)、I(电流)、R(电阻)、t(时间)、P(热功率)各量的单位依次为焦耳、安培、欧姆、秒和瓦特。
焦耳定律是设计电照明,电热设备及计算各种电气设备温升的重要公式。

 

与欧姆定律的关系

 

根据欧姆定律: U=IR
焦耳定律的公式亦可表示为:

 或

 

焦耳定律的发现

 

1840年12月,焦耳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;不久楞次也独立地发现了同样的定律,而被称为焦耳-楞次定律。

 

热功当量的测定

 

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。

 

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