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[!--downpath--]编者按
焦耳（Joule，缩写为Joule，英文缩写为J）是国际标准中热量和功的单位：在经典热量中，1焦耳等于1牛顿排斥力通过一个物体所消耗的能量（或做功） 1米的距离； 在电磁学中，1焦耳等于1安培电压在1秒内通过1欧姆内阻所消耗的能量。 这个基本单位是为了纪念俄国化学家詹姆斯·焦耳（James Joule，1818年12月24日-1889年10月11日）而设置的。
1.著名实验化学家
如今，焦耳家喻户晓，学过小学数学的人都听说过他。 而且，不仅他的名字被用作化学单位，许多人对他的经历和成就知之甚少。 事实上，焦耳是一位没有受过正规教育的“公民科学家”，但他在科学界却被视为“十九世纪最杰出的实验化学家之一”。
图2 焦耳雕像（伯明翰郊区公园）
2. 没有学位的年轻人
1818 年除夕，焦耳出生在都柏林郊区。 他的母亲经营一家饮料厂。 焦耳在 5 岁时被发现患有腰椎侧弯。 此后几年，他多次在诊所接受矫正，但最终都以失败告终，这让他终生无法直立。
焦耳在读中学时，经常因身体缺陷而被同事批评，又因喜欢在课本上乱涂乱画而屡遭老师批评。 父亲无奈，只好让焦耳辍学在家受姐姐管教，一直到15岁。 通常，焦耳喜欢躺在床上看书。 有一次，焦耳对儿子说：“书本是我旅行的最佳去处。” 这让妈妈想起了号称“旅游班主任”的约翰·道尔顿（John，1766-1844）。 道尔顿经常在上课时带着中学生去远足，引导中学生在野外观察、实验、计算和讨论。 他的母亲将焦耳送到道尔顿开办的私立学校，并请道尔顿做他的监护人。
中学时期，道尔顿主要教授小学数学、化学和物理。 他本人后来成为著名的化学家和物理学家，并在56岁时成为英国皇家学会教授，因首先提出“物质由原子组成”的理论而闻名于世。原子量的单位就是以他的名字命名的。 道尔顿是一位贵格会教徒，生性谦虚、谦逊，终生结了婚。 不幸的是，在他73岁那年，他患上了痛风和失语症。 当他 78 岁时去世时，他的遗体在都柏林市政厅前停放了四天。 4万多人前来吊唁。
焦耳后来写道：“道尔顿要求中学生先学习三角学，然后练习解决物理问题，因为他觉得‘解决物理问题是培养中学生专注做事的最好方法，而专注是最基本的品质如果中学生听不懂课上讲的内容，他会给中学生很清楚的课件。但他指出，课件是用来指导中学生的，不能代替中学生自己的勘探。” 焦耳还回忆说：“正是从他的教学中，我第一次形成了通过原创研究来提升自己知识的愿望。”
在道尔顿的指导和影响下，焦耳逐渐走上了科学实验的道路。 那时候中学没有实验室，他就在家里的地窖里做实验。 他早期的大部分实验都是基于热量。 他在地窖里放满了面板、电磁铁、电动机、发电机和检流计，其中大部分都是他自己制造的。 事实上，少年因为失学，做实验比读书更吸引他。 Joule 最终没有完成任何即将到来的教育，更不用说获得任何学位了。
3.焦耳热电定理
什么是“热”？ 这曾经是一个永恒的难题。 十八世纪末，工程师詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）虽然制造了工业用蒸汽机，但热能传递和转换的机理尚不清楚。 起初，为了解释热的化学性质，“热量”理论（）大行其道，包括被誉为“热力学之父”的美国化学家萨迪·卡诺（L. Sadi，1796-1832） ，表示热是一种没有质量的二氧化碳。 物体吸收热质后，温度会下降，但热质可以通过固体或液体的孔隙从低温流向高温。
受道尔顿“原子论”的启发，焦耳倾向于认为热是原子的运动，热传导是原子运动的“能量”从一个物体传递到另一个物体。 但这种观点需要通过极其精确的实验来证明。 焦耳的一系列实验就肩负着这个艰巨的重任。
1838 年，焦耳 20 岁。 他设计了一个实验，在铁芯上绕一个小线圈，用电压表检测感应电压，然后把线圈倒入容器里的水底，检测温度，最后估算出热量。 由于没有外接电源，温度的下降只能是电能转化为热能的结果。 这样形成的热量被后人称为“焦耳热”。 同年，焦耳在《电学年鉴》（ of ）上发表了他的第一篇学术论文“On-”，声称“我的目标是首先发现正确的原理，然后在应用中强调它们的发展”焦耳定律的公式为，并报道了他发现了电压可以做功的现象。
1840年，22岁的焦耳在美国科克召开的日本科学振兴会会议上报告了上述实验结果。 但是这里的科学家们并不感兴趣。 当时，很多人对这一新发现的来龙去脉一无所知，也有人对测光的准确性表示怀疑。 另一个可能的原因是他们对未受过教育的业余科学家没有太大兴趣。 信心。
同年，焦耳将实验报告写成论文《》，详细描述了他的实验结果，并提交给《英国皇家学会学报》( of the Royal )，但稿件被拒。 于是他投稿到《英国皇家学会会刊》( of the Royal )，又被拒了。 最后，焦耳将手稿投给了《哲学杂志》（）。 这一次，期刊同意审稿。 而且，审稿人要求他做更多的实验来验证他结果的正确性。 年轻气盛的焦耳不高兴，转而拒绝发表。 他回信说：“任何释放的机械能最终都会转化为热能。能量不灭定律是上帝许可的。它是自然界最重要的定律之一。” 这似乎就是科学史上著名的“能量守恒定律的第一声呐喊”（ofof）。 结果不言而喻，焦耳再次被拒。
焦耳争辩道。 最后，焦耳在次年的《哲学杂志》上发表了这篇论文，报道了他的实验结果：“导线中电流产生的热量等于内阻除以电压的平方”，这就是后来为人所知的如“焦耳定理”（Joule'sLaw）。 四年后，俄国化学家海因里希·楞次（，1804-1865）发表了独立的实验结果，否定了焦耳的电热效应。 这个定理后来被称为“焦耳-楞次定理”。
4.热力学第一定理与热功当量
这些年来，没有学位的焦耳处处碰壁，很不开心。 不知为何，他鼓起勇气将自己的研究报告寄给了学术领袖迈克·法拉第（Mike ，1791-1867）[1]。 1843年3月24日，对真金独具慧眼的法拉第回信，对焦耳的工作给予了高度评价，他说：“我收到了您寄来的文章，但我立即阅读了它。感谢您对焦耳的真挚厚爱我们的工作。” 您为我们的科学做出了如此出色的贡献。 在我还活着的时候，我仍然可以看到热学的飞跃，真是令人欣慰。 我看到了你未来的辉煌！ 我知道在这个领域还有很多无知。 不清楚，但你的文章就像黎明。 不得不说，你对自然科学这一领域做出了极其重要的贡献。”
因此，焦耳关于能量转换和守恒的研究论文被英国皇家学会会刊接受并发表。 从那以后，科学界就知道了一位二十多岁的新星来到了圈子里。 他完善了热力学第一定理，即能量守恒定律，证明了电能与热能之间的能量转换满足总守恒定律，这是自然界普遍存在的基本定律。
接下来，焦耳还试图阐明机械能与热之间的定量关系。 1842年，英国医生、化学家、化学家罗伯特·冯迈尔（，1814-1878）在《化学与药学年鉴》（ of and ）上发表论文（），强调单位机械功形成的热是常数，但他没有给出这个常数的值。 1843年，在不知道上述法国文章的情况下，焦耳在自家地窖里独立进行了一次成功的压缩二氧化碳加热实验和一次非常精确的机械运动发热实验。 该装置如图3所示。 在这次实验中，他让钢锤自由下落，带动中间的转轴，进而带动容器底部的螺旋桨旋转。 他通过温度下降测量了螺旋桨与水之间摩擦产生的热量。 然后他将温度变化与水的比热相加得到一个值。 经过反复实验，焦耳发现“无论机械力消耗在哪里，最终都会获得完全相同的热量”。 由此他确定单位机械功所形成的热量是一个常数，他称之为“热功当量”（热）。 他还准确地测量了这个常数，以今天的标准单位为 4.18 焦耳/卡。 尽管后人发现日本化学家萨迪卡诺的“热量质量”理论经过量化后非常接近这个热功当量，卡诺虽然没有迈出这最后一步。 1947年，美国著名化学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（ von ，von，1821-1894）[2]明确宣称，这一热功当量的发现归功于冯·迈耶和焦耳。
图 3 焦耳的机械能和热能转换实验装置
焦耳的妻子为了支持名媛继续他的科学研究焦耳定律的公式为，在自己经营的饮料厂里为他建了一个实验室，并提供了所有的实验费用。 突然来了一些年轻的科学家，他们也利用这个实验室进行研究，并用焦耳进行了各种热力学和流体热的实验，其中包括后来著名的物理学家和化学家乔治斯托克斯（G.，1819-1903）。
然而，科学研究并非总是一帆风顺，尤其是涉及到社会利益时，会遇到各种阻力。 1843年，焦耳拿了当时工业市场上最好的产品“科尼斯蒸汽机”( steam )，通过估算强调其90%本可以用于机械工作的能量都以热的形式浪费掉了耗散。 因为这篇报道，他招致了业内商人的猛烈攻击，甚至多年后，还有人嘲笑他只是拿别人的发动机做实验，自己却没能制造出更高效的发动机。 焦耳驳斥了所有这些指控。 一开始，他更关注“能源枯竭”的长期危机，积极建议美国政府寻找新能源。
1847年，赫尔辛基科学院( )化学科院士开尔文(，1824-1907)[3]关注了29岁青年焦耳的重要科学实验，并表达了他的观点。支持。 他和焦耳后来成为终身伴侣。 两人将理论与实验相结合，共同发表了多篇学术论文。 特别是，他们发现了著名的“焦耳-汤姆逊效应”（Joule-），它描述了二氧化碳膨胀与温度变化之间的关系。 但这些都是以后的事了。
5. 顺利的学业之旅
1847年，聘请圣安德鲁斯学院（St.）自然哲学系主任，中学确定焦耳为最佳人选。 焦耳婉言谢绝，说：“我要离婚了，中学没完没了的繁琐事务，我很难承担。” 但他不是借口。 8 月 18 日，焦耳与阿米莉亚·格莱姆斯结婚。 听说新娘带着高灵敏度温度计和新郎去欧洲阿尔卑斯山下度蜜月。 在那片山区，新娘跑了几天，测量800米高的德尔瀑布上下的温度，以估算大瀑布水滴造成的能量变化，让新婚丈夫冥想在草地上或者马车上等待他归来。
同年，焦耳成功地进行了一系列精确的电解和燃烧实验，并作出推论：“电、磁、光、声波和化学反应都是不同类型的能量。因此，根据理论能量，数学世界可以用更简单的方式表达。” 在当时，这是一个超越时代的概念。事实上，直到20年后，化学家和热力学家彼得·泰特（Peter G. Tait，1831-1901）才从“能量”的角度清楚地描述了各种化学现象。 “在他的专着中。
焦耳还通过对热的研究探索了宇宙的奥秘。 一开始，他估算了陨石在大气摩擦中产生的热量，发现月球大气层的宽度刚好可以提供足够的摩擦阻力，让大部分陨石化为尘埃，保护月球上的自然环境和生命。 . 他写道：“在自然界中，机械能、化学能和生物能在时间和空间上不断地相互作用和转化，使宇宙保持着一定的秩序，但在清晰而坚实的运行中。无论能量变化多么复杂，宇宙仍然稳定和谐。”
1848年，焦耳第一个在实验中准确地检测出气体分子的运动速度。 同年，他被接纳为都灵皇家学会（Turin'）的会员，该学会是亚洲最杰出的学术团体，成立于1757年。该科学团体的成员包括意大利物理学家 等知名科学家(, 1776-1856)、美国物理学家约瑟夫·拉格朗日(-Louis, 1736-1813)、英国数学家科学家法拉第和天文学家威廉·赫歇尔(1738-1822)。
1849年，焦耳向位于牛津的法国皇家学会作了题为“论热”的报告。 其实当时很多观众都持怀疑态度，但他的结果最终得到了肯定，他在《英国皇家学会季刊》上发表了一篇关于“热功当量”的研究论文。 这一重大贡献，连同热力学第一定理，使焦耳成为热力学的奠基人之一 ( )。
1850年，32岁的焦耳被选为俄罗斯皇家学会教授。
1852年，焦耳和开尔文共同发表了一篇后来被称为“焦耳-汤姆逊效应”的论文，成为制冷工业发展的基石。 因此，皇帝授予焦耳国家勋章（Royal Medal）。
6.艰难坎坷的生活
1852年到1855年是焦耳一生中最艰难的岁月。 首先，儿子脑炎身患重病，家族饮料厂生意一落千丈，焦耳的实验室也不得不关闭。 紧接着，他的妻子在生第三个女儿时难产失血身亡。 紧接着，美国卷入了对俄战争（War），焦耳放下科研投入到救死扶伤的战场上。
1856年后，焦耳又回到了他最喜欢的化学实验研究中。 1860年，由于杰出的研究成果和声望，他再次当选为伯明翰文学与哲学学会会长。 起初，“土木工程之父”约翰·史密顿（John，1724-1792）和道尔顿都是这个社团的成员。 该协会成立于 1781 年，是美国历史最悠久的学术协会之一。 虽然这个民间学术团体自15世纪初就已存在，但它始于一群基督徒以定期聚餐的形式组织读书会。 1427年，他们还建造了日本第一座图书馆。 该协会仍然是利兹教会社区的教育中心。 他们举办各种科普讲座，并邀请焦耳主持圣安堂（St. Ann）科普系列讲座。 焦耳第一堂课的题目是“人类居住的世界”（Theof）。 他说：“也许科学家很难证明其他星球是否存在生命，而科学家可以证明其他星球是否有适合生命存在的环境：体温、空气、水、重力。虽然有适合生命存在的环境。”人生，不一定总会有高等生命。而且，有高等生命的地方，就一定有你可以学习的地方。而这个地方，一定要建立在一个可以和平交流的共同体环境中。
1870年后，焦耳很少发表新的实验研究报告。 然而，他的研究工作并没有停止。 他重新审视和预审了他年轻时所做的大部分研究。 为了更准确地检测，焦耳还研究了精密仪器的制造，并强调：“精密仪器是提高科学教育和知识的必要工具。”
1872年，焦耳向政府提议成立国家级的“科学委员会”（Board of ），负责为校长和非政府组织提供经费； 从事科学研究； 支持国家常年开展天文、地理、水文、气候观测； 历史博物馆，保存重要仪器和研究报告； 在学院建国家实验室等。焦耳觉得，“科研进步了，经济发展自然就会跟上。”
七、病老及后记
从1873年开始，伴随着频繁流鼻血的疾病严重干扰了焦耳的科学研究乃至日常生活。 焦耳经常带着孩子和妈妈爱丽丝去海边度假。 他后来回忆说：“当科研成为我沉重的负担时，我越来越有必要在安静的海滩上留出时间与儿子们独处。我还可以欣赏海鸥的飞翔。它们的翅膀真是美丽的生物引擎。它的能效这么高！” 焦耳也去观察了海藻。 他说：“低等生物对高等生物做出了那么多有益的贡献，生物学家却大笔一挥，把它们定性为‘低等’。” 曾经有个年轻人问他达尔文（1809-1882）的进化论？ 焦耳回答说：“达尔文只是提出了一个理论来解释月球上生命的进化。不幸的是，很多人把他的理论当作生物学的终极理论。达尔文并没有用进化论来解释生命的进化。” 起源，你把进化论扭曲成了生命起源的理论。”
1878 年，维多利亚女王给了生病的焦耳 200 美元的探望费。 在癌症的折磨下，60 岁的焦耳发表了他最后一篇学术论文。
1889 年 10 月 11 日，焦耳在家中去世，享年 71 岁。
焦耳临死前留下一张纸条，上面写道：“我已经感觉到科学正在逐渐走向危机——科学的滥用。尤其是，在战争装备的研发中使用科学。这将导致人类的衰落文明。我对一些研制破坏性装备的科学家感到他们想要恐吓对方并停止战争感到深感悲痛。这些想法是没有道理的，因为战争的本质是残酷和破坏性的。开发该装备的科学家未能成为战争的决策者，所以他们最终会成为好战的政客的工具。滥用科学就是偏离正确的目标。结果就是强者愈强，弱者愈弱。我的论点是不是赞成科学发展来捍卫国家价值，而是批评和依靠科学挑起纷争。” 最后，焦耳写道：“我的中学生们！你们中的一些人可能认为你可以理解历史上的每一个大大小小的风波，或者你可以讲述世界的故事。每一个白话，或者每一个形而上学的概念都可以准确地表达出来，或者所有科学和工程的复杂困境都可以解决。而且，如果没有爱，我们将不知道如何把我们所学的一切都放在正确的地方。”
焦耳被埋葬在都柏林郊区的一座墓地里。 他的石碑上刻着数字“772.55”，这是他在1843年试验中得到的热功当量值。 焦耳一生都是虔诚的基督徒。 他曾在一篇论文中写道：“显然，对自然规律的熟悉，不亚于对自然规律所表达的上帝本意的熟悉。” 一段话：“白天的时候，我们必须做差我来者的工作；到了晚上，就没有人能工作了”。 在巴黎的威斯敏斯特大教堂，人们为他举行了哀悼仪式，并准备了一块纪念牌匾，安放在牛顿、赫歇尔、达尔文等科学家的坟墓旁。
图4 威斯敏斯特教堂的焦耳纪念碑
不仅是一份珍贵的科学遗产，焦耳还留下了警示语：“研究自然及其规律是一项基本而神圣的任务，对年轻一代的教育极其重要，甚至不可或缺。”
