英国物理学家焦耳

詹姆斯普雷斯科特·焦耳，1918 年 12 月 24 日出生在英国曼彻斯特附近

索福特的一个啤酒厂厂主的家里。由于自幼身体瘦弱，所以 15 岁以前在家自学。后来，在著名的英国物理学家和化学家约翰·道尔顿门下学习化学、物理和数学。他虚心求教各种科学问题，使老师深受感动，并鼓励他要勇于攀登科学的高峰。由于焦耳从未脱离过酿酒厂的生产实践和他所从事的化验测量等工作，因此培养了他进行科学实验的熟练技巧。20 岁时，焦耳把全部精力都投注到发明电动机方面。父亲把自己的实验室交给焦耳使用。在这里焦耳开始了他的研究工作。当时电动机发明不久，焦耳想用实验测定这种新机器有多大效用，在经济上是否合算。这一思想之花的硕果，便是他以后发现的能量守恒和转化定律。

1840 年，年仅 22 岁的焦耳，已经做了多次通电导体发热的实验。他把电阻丝放入水中，通以电流，使水加热。他分别测出了电阻丝的电阻、电流强度和通电时间，以及水的质量和温升（包括所用的量热器），并分别计算出了电流做了多少功，水的热量有了多大的变化。

通过这个实验，焦耳发现了如下规律：电流流过导体产生的热量，跟电流强度的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。焦耳首先用实验表明了电能转化为热能时，它们之间存在着一定数量关系。他还根据这个实验写成了《电流析热》的论文，奠定了计算电流的热效应和设计电热器的理论基础。

以后，焦耳又进行了各种实验，探讨各种能量之间的转化关系。如热能与化学能之间的转化，磁场作的功和产生的热之间的关系等。1843 年 8 月， 焦耳在考尔克市举行的英国学术协会上作了《论电磁的热效应和热的机械值》的报告。报告中的最后结论是：自然界的力量（即能）是不能毁灭的， 哪里消耗了机械力（能），就能得到相当的热。从此，热被实验证明是一种能量形成。

焦耳的报告中还提到了当时的热功当量的测定值是 460 千克米/千卡。以后，焦耳又做了把水压入毛细管中的实验，通过摩擦作用，测得热功

当量值 J=424.9 千克米/千卡。1844 年，焦耳研究了压缩空气所做的功以及空气温度升高之间的关系，测得 J=443.8 千克米/千卡。

1847 年，焦耳做了一个十分满意的实验。他设计的实验装置如图所示，

4 片铜制的翼轮一端都固定在转轴上，翼轮都浸没在水里。转轴上部的套轴各用一根细绳通过滑轮吊住等重的重锤。实验时，先把套轴提高一点，使它与转轴脱开，转动套轴使两重锤升高，从而使这个系统增加了势能。然后再把套轴压下跟转轴相连。这时候如果不再受到其他干扰，便可把它作为一个封闭系统看待。接着让重锤下降，下降过程中，带动翼轮转动，容器中的水由于翼轮扰动发生摩擦，温度就逐渐升高。实验可以重复多次。在这个过程中，重锤的势能转变为翼轮的动能，井由动能使水变热，使水的温度升高。焦耳测量了温度的改变，并且借助于已知的水的比热，算出它所吸收的热量。他把多次实验的结果作了总结：1.物体（无论是固体还是液体）相互摩擦所产生的热量永远正比于所消耗的力（焦耳所说的力是指能）。2.要产生可以把一磅水（在 55°F 和 60°F 之间的真空中称定的）的温度升高华氏一度的热量所需要费去的机械力（能）。可以用 772 磅重的物体在空中下降 1 英尺

来代表。这段话换用米制单位表示，要产生可以把 1 公斤水（在 14℃和 15

℃之间的真空中称定的）的温度升高摄氏一度的热量所需要费去的机械力

（能），可以用 427 公斤的物体在空中下降 1 米来代表。换句话，即把 427

公斤的物体在地面上升高 1 米的势能，等于把 1 公斤水从摄氏 14℃升高到 15

℃所需要的热量。

后来他又改用鲸油、水银等代替水做实验，又测得 J=428.9 千克米/千卡焦耳精益求精，不断改进实验方法，以提高实验的精确程度。直到 1878

年（即距他开始进行这一工作将近 40 年），在这近 40 年的时间里他曾经用

了各种方法兢兢业业地进行了 400 多次实验，测得的结果，其精确度，从当时的实验条件看是惊人的。

这位靠自学成功的科学家得到了一致公认，被选为英国皇家学会会员。他于 1878 年退休，1889 年 10 月 11 日在索福特逝世。后人为了纪念他的伟大业绩，物理学上把功的单位称为“焦耳”。