詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Joule，1818年12月24日—1889年10月11日），出生于曼彻斯特郊区沙夫特，英国皇家学会会员、英国物理学家。
由于他对热学、热力学和电学的贡献，英国皇家学会授予他最高荣誉科普利奖章。 后人为了纪念他，将能量或功的单位命名为“焦耳”，简称“焦耳”； 并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量和“功”的物理量。 在研究热的本质时，焦耳发现了热与功的转换关系，从而得出了能量守恒定律，并最终发展出了热力学第一定律。 在国际单位制衍生的单位中，能量单位焦耳就是以他的名字命名的。 他与开尔文合作开发了绝对温度标度。 他还观察了磁致伸缩效应，发现了导体的电阻、通过导体的电流和产生的热能之间的关系，通常被称为焦耳定律。
人生故事
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳出生于曼彻斯特郊区索尔福德。 在研究热的本质时，焦耳发现了热与功的转换关系，从而得出了能量守恒定律，并最终发展出了热力学第一定律。 在国际单位制衍生的单位中，能量单位焦耳就是以他的名字命名的。 他与开尔文合作开发了绝对温度标度。 他还观察了磁致伸缩效应，发现了导体的电阻、通过导体的电流和产生的热能之间的关系，通常被称为焦耳定律。
传
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Joule；1818年12月24日—1889年10月11日），英国物理学家，出生于曼彻斯特郊区沙夫特（Shaft）。 焦尔从小跟随父亲从事酿酒工作，没有受过正规教育。 年轻时，焦耳在别人的介绍下结识了著名化学家道尔顿。 道尔顿给予焦耳热情的指导，传授给他数学、哲学和化学知识，为焦耳后来的研究奠定了理论基础。 而且，道尔顿向焦尔传授了理论与实践相结合的科学研究方法，激发了焦尔对化学和物理的兴趣，在他的鼓励下，他决心从事科学研究。
学习生涯
他的第一篇重要论文于1840年提交给英国皇家学会，指出了电导体发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间之间的关系。 这就是焦耳定律。 焦耳提出了能量守恒定律和能量变换定律：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换为另一种形式，或者从一个物体转移到另一种物体。 能量总量保持不变，为热力学第一定律（能量不朽原理）奠定了基础。 当选为英国皇家学会会员。 由于他对热学、热力学和电学的贡献，英国皇家学会授予他最高荣誉科普利奖章。 焦耳出生于苏格兰北部曼彻斯特郊区索尔福德。 他的父亲是本杰明·焦尔（ Joule，1784-1858），一位富有的酿酒师（英语：），母亲是爱丽丝·普雷斯科（Alice ）。 爱丽丝·焦耳. 焦耳出生时的家位于索尔福德的新贝利街，毗邻他家族的啤酒厂。 小时候，由于健康状况不佳，焦耳在索尔福德附近彭德尔伯里的一所家庭学校接受教育。 1834年，16岁的焦耳和他的兄弟本杰明被送往曼彻斯特文学和哲学学会（英语：and ），师从道尔顿。
焦耳兄弟跟随道尔顿学习了两年算术和几何。 道尔顿后来因中风退役。 但追随道尔顿的经历影响了焦尔的一生。 焦耳后来受到约翰·戴维斯的指导。 焦耳兄弟对电非常着迷。 他们曾经做过互相电击的实验，也曾对家里的仆人做过实验。 1835年，焦耳在道尔顿的指导下进入曼彻斯特大学。 毕业后，他开始经营自己的啤酒厂，并一直活跃在商业领域，直到 1854 年出售啤酒厂。科学最初是焦耳的一种爱好，直到他开始研究用新发明的电动装置取代啤酒厂蒸汽机的可行性。发动机。 1838年，他的第一篇关于电的科学论文发表在《电力年鉴》上。 该学术期刊由戴维斯的同事威廉·斯特金创办并担任主席。 1840 年，他得出了焦耳定律的公式，并准备让皇家学会感到惊讶，但后来发现自己只不过是一个乡村业余爱好者。 1840年，当斯特金搬到曼彻斯特时，他和焦耳成为该市知识分子的核心。 他们都认为科学和神学应该而且能够整合。 焦耳开始在斯特金皇家维多利亚实用科学讲座上发表演讲。
后来他意识到，在蒸汽机中燃烧一磅煤产生的热量是在格罗夫电池（一种早期类型的电池）中消耗一磅锌产生的热量的五倍。 焦耳通常的“经济责任”标准是能够将 1 磅的重物举起 1 英尺，或英尺磅（英语：Foot-pound）。 焦耳受到弗朗茨·埃皮努斯思想的影响，他试图用被“振动状态的热以太”包围的原子来解释电和磁。 然而，焦耳的兴趣开始从狭隘的经济问题（即从给定来源中提取多少功）转向思考能源的可兑换性。 1883 年，他发表了实验结果，表明他在 1841 年量化的热效应是由于导体本身的加热而不是从设备其他部分传递的热量造成的。 这个结论是对当时热量理论的直接挑战。 热量理论认为，热量既不能被创造，也不能被消灭。 自1783年拉瓦锡提出以来，热量理论一直是热科学领域的主导理论。 拉瓦锡的影响，加上尼古拉斯·卡诺自1824年以来提出的热机热量理论的实际成功，让既不在学术界又不在工程界的年轻焦耳的前途显得困难重重。 。 热量理论的支持者准备指出，热电效应的对称性表明热和电可以（至少近似）通过可逆过程相互转换。 焦耳于 1818 年 12 月 24 日出生于英国曼彻斯特。他的父亲是一家啤酒厂老板。
科学年代学
1837年，焦耳安装了一台电池驱动的电磁机，并发表了这方面的论文，引起了人们的关注。 1840年，焦耳将环形线圈放入装满水的试管中，测量不同电流强度和电阻下的水温。 12月，焦耳在英国皇家学会读了一篇关于电流发热的论文，提出了电流通过导体产生热量的定律。 不久之后，俄罗斯物理学家楞次独立发现了同样的定律，这条定律又被称为焦耳-楞次定律。 1843年，焦耳设计了一个新实验。 在铁芯上缠绕一个小线圈，并用电流表测量感应电流。 将线圈放入盛有水的容器中并测量水温以计算热量。 该电路为全封闭式，无需外接电源。 水温的升高只是机械能转化为电能、电能转化为热能的结果。 整个过程没有热量和质量的传递。 这个实验结果彻底否定了热量理论。 1843年8月21日，在英国学术会议上，焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》。 他在报告中表示，1大卡的热量相当于460公斤的功。 他的报告几乎没有得到支持，但反响强烈，他意识到自己需要进行更精确的实验。 1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩过程中的温度变化，并在这方面取得了许多成就。 焦耳通过研究气体分子的速度与温度的关系，计算出了气体分子的热速度值，从理论上为波伊尔-马里奥特定律和盖-吕萨克定律奠定了基础，并解释了气体对壁面压力的本质。
1852 年，他们发现当自由扩散的气体从高压容器移动到低压容器时，大多数气体和空气的温度都会降低。 这种现象后来被称为焦耳-汤姆逊效应。 这种效应在低温学和气体液化中具有广泛的应用。 焦耳在蒸汽机的研制方面也做了很多有价值的工作。 1847年，焦耳做了被认为是迄今为止设计思维中最巧妙的实验：他将热量计装满水俄物理学家，在中间放置一个装有叶片的转轴，然后让落下的重物带动叶片旋转。 由于叶片和水之间的摩擦，水和热量计变得越来越热。 根据落锤的高度，可以计算出换算的机械功； 根据热量计中水的温度升高量，可以计算出水的内能的增加量。 通过比较这两个数字，可以找到热功当量的准确值。 Joule还用鲸油代替水进行了实验，测得热功平均值为423.9 kgm/kcal。 然后用汞代替水，实验方法不断改进，直到1878年。从他开始这项工作至今已近四十年，他已经使用各种方法进行了四百多次实验。 当焦耳在1847年的英国科学学会会议上再次宣布他的研究成果时，他仍然没有得到支持。 许多科学家对他的结论表示怀疑，认为各种形式的能量之间的转换是不可能的。 直到1850年，其他一些科学家才用不同的方法得出了能量守恒定律和能量转换定律。 他们的结论与焦耳的结论相同。 直到那时，焦耳的工作才得到认可。 1850年，焦耳凭借他对物理学的重要贡献。 他三十二岁时成为英国皇家学会会员，两年后获得皇家勋章。
国外多家科学院也给予他很高的荣誉。 尽管焦耳继续他的实验测量工作，但不幸的是，他的科学创造力，特别是在物理概念方面，过早地减弱了。 1875年，英国科学协会委托他更准确地测量热功当量。 他得到的结果是 4.15，非常接近 1 卡 = 4.184 焦耳。 1875年，焦耳的经济状况大不如前。 这个曾经富有但失业的男人发现自己陷入了经济困境，但他的朋友帮助他获得了每年200英镑的养老金，这使他能够维持简朴但舒适的生活。 五十五岁时，他的健康状况恶化，研究工作进展缓慢。 1878年，60岁的焦耳发表了他的最后一篇论文。 焦耳于 1889 年 10 月 11 日在索福特去世。
主要的成就
焦耳定律的发现
1840年12月，他在英国皇家学会读到一篇关于电流加热的论文，提出了电流通过导体产生热量的定律； 因为很快。 х。 楞次也独立发现了同样的定律，被称为焦耳-楞次定律。 公式表示为：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。
热功当量的测定
焦耳的主要贡献是他研究并确定了热与机械功之间的等效关系。 第一篇关于这一领域研究的论文《论电磁的热效应和热的功值》于1843年发表在《英国哲学杂志》第23卷第3期上。此后，他用不同的材料进行了实验材料并不断改进实验设计。 他发现虽然使用的方法、设备、材料不同俄物理学家，但结果却相差不远； 随着实验精度的提高，它们接近某个值。 最后，他将多年实验的结果写成论文，发表在1850年英国皇家学会《哲学汇刊》第140卷上，其中指出：首先，无论固体还是液体，摩擦产生的热量是始终与消耗的力成正比。 大小成比例。 其次，为了产生将 1 磅水（在真空中称重，温度在 50 到 60 华氏度之间）增加 1 华氏度所需的热量，需要 772 磅的机械功才能下降 1 英尺。 他不断改进，直到1878年仍有测量结果报告。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。
焦耳-汤姆逊效应
1852年，焦耳和W.汤姆逊（即开尔文）发现了气体自由膨胀时温度下降的现象，称为焦耳-汤姆逊效应。 这种效应在低温学和气体液化中具有广泛的应用。 他在蒸汽机的研制方面做了大量有价值的工作。
理论成果
接受理论
最初对焦耳工作的一些反对是因为他的工作依赖于极其精确的测量。 他声称能够精确测量温度到 ⁄200°F (3mK) 以内。 这种准确性在当时的实验物理领域是不寻常的。 但焦耳的怀疑论者可能已经忘记了焦耳的酿酒经验。 并且他还得到了测量仪器制造商约翰·本杰明·丹瑟（英语：John）的大力支持。
1842 年，德国的赫尔曼·亥姆霍兹 ( ) 熟悉了焦耳的工作以及朱利叶斯·罗伯特·冯·迈耶 ( von Mayer) 的类似研究。尽管两人在各自发表其工作后都被忽视，但亥姆霍兹在 1847 年最终宣布能量守恒定律时承认了他们的贡献。
此外，焦耳还在1847年牛津英国协会会议上作了报告。 观众中包括乔治·斯托克斯、迈克尔·法拉第以及先驱和独立的威廉·汤姆森（后来成为开尔文男爵）。 开尔文已被任命为格拉斯哥大学自然哲学教授。 斯托克斯“倾向于成为焦耳”，而法拉第虽然持怀疑态度，但“很喜欢”。 凯尔文很着迷，但也持怀疑态度。
首发的争议
那年晚些时候，开尔文和焦尔在夏蒙尼意外相遇。 8月18日，焦尔与阿米莉亚·格莱姆斯结婚后，刚刚来这里度蜜月。尽管焦尔还沉浸在婚礼的兴奋之中，几天后，他还是和凯尔文安排了测量塞伦奇斯山脉顶部和底部的温差。下降。 焦耳认为，瀑布冲落时能量的变化略微增加了水的热量和温度。 但在自然界下，影响水温的因素还有很多，所以他们没有任何收获。
尽管开尔文认为焦耳的结果需要理论解释，但他也退却并为卡诺-克拉佩龙学派辩护。 当开尔文在 1848 年报告绝对温度时，他写道：“热量（或卡路里）转化为机械能的效果不太可能，而且肯定未经证实。” 但他的一个脚注暗示了他最初的热量理论。 谈到疑问，他提到了焦耳的“非常令人印象深刻的发现”。 当焦耳读到开尔文的一篇文章时，他写信给他，声称他的实验已经证明了热能转化为功，但他仍在准备做进一步的实验。 令人惊讶的是，开尔文没有向焦耳寄回他自己文章的副本。 凯尔文回信说，他正在准备自己的实验，并希望调和两人的观点。 尽管加尔文在接下来的两年里没有进行新的实验，但他对卡诺的理论越来越不满意，并开始相信焦耳的想法。 在 1851 年的一篇文章中，开尔文愿意做出妥协，承认“整个热动力学理论基于……两个……前提，焦耳理论和卡诺-克拉佩龙理论。” 是在......二......，由于焦耳，和到和）”。焦耳一读到这篇文章，他立即写信给凯尔文提出他的评论和问题。然后两人通过广泛的通信开始了富有成效的合作焦耳进行实验，开尔文分析结果并建议进一步的实验。这种合作从1852年持续到1856年，他们的成果包括焦耳-汤姆逊效应。关于这一结果发表的论文使焦耳的研究和分子动力学理论被广泛接受。
分子动力学理论
动力学是运动的科学。 焦耳是道尔顿的学生，因此，尽管他这一代的许多科学家对此表示怀疑，但他坚信原子理论也就不足为奇了。 他也是少数能够接受约翰·赫帕斯当时被忽视的气体动力学理论的人之一。 他后来深受Peter Ewart 1813年的文章《论力的测量》的影响。
焦耳认为他的发现与热力学理论之间存在联系。 他的实验笔记表明，他相信热量是旋转运动而不是平移运动的一种形式。
焦耳忍不住在弗朗西斯·培根、艾萨克·牛顿爵士、拉姆福德伯爵约翰·洛克和汉弗莱·戴维爵士等前辈身上寻找其思想的先例。 尽管这些观点是有效的，但 Joule 根据 的文章估算了热功当量值·lbf/Btu。 一些现代作者从根本上批评了这种方法，认为拉姆福德的实验并不代表系统的定量测量。 在焦尔的一份个人笔记中，他声称梅耶尔的测量并不比拉姆福德的更精确，可能希望梅耶尔没有参与他自己的工作。 焦耳还对绿闪光现象的解释做出了贡献，他在 1869 年写给曼彻斯特文学和哲学协会的信中提到了这一现象。
荣誉成就
1850年焦耳当选为英国皇家学会会员。 1866 年，英国皇家学会授予他最高荣誉科普利奖章，以表彰他在热学、热力学和电学方面的贡献。 后人为了纪念他，将能量或功的单位命名为“焦耳”，简称“焦耳”； 并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热度。
1889 年 10 月 11 日，焦耳在塞尔的家中去世，并被埋葬在该市的布鲁克兰公墓。 他的墓碑上刻着数字“772.55”，这是他在1878年一次关键测量中获得的热功当量值。墓碑上还刻有《约翰福音》中的一段话：“趁着白天，我们必须做功”。 (9:4)” 位于索尔路的瑟斯顿酒馆 ( ) 就以他的名字命名。
科学精神的影响
无论是在实验上还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的角度进行深入研究的先驱之一。 在从事这些研究时，焦耳并没有停止热功当量的测量。
去世前两年，焦耳对弟弟说：“我一生只做了两三件事，没有什么值得炫耀的。” 我相信，对于大多数物理学家来说，只要能做到其中一件小事就已经很满足了。 焦耳的谦逊是非常真诚的。 如果得知威斯敏斯特教堂为他竖立了一座纪念碑，并且一个能量单位以他的名字命名，他可能会感到惊讶，尽管后人永远不会感到惊讶。
十八世纪，人们对热本质的研究走了弯路，“热量质量论”统治了物理学史一百多年。 尽管有些科学家对这个错误理论提出了质疑，但人们始终没能解决热与功之间的关系问题。 最终解决这个问题的是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳。 问题指明方向。
