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），出生于曼徹斯特近郊的沙弗特，英國物理學(xué)家，英國皇家學(xué)會(huì )會(huì )員。

由于焦耳在熱學(xué)、熱力學(xué)和電方面的貢獻，皇家學(xué)會(huì )授予他最高榮譽(yù)的科普利獎?wù)拢–opley Medal）。后人為了紀念他，把能量或功的單位命名為“焦耳”，簡(jiǎn)稱(chēng)“焦”；并用焦耳姓氏的第一個(gè)字母“J”來(lái)標記熱量以及“功”的物理量。

焦耳在研究熱的本質(zhì)時(shí)，發(fā)現了熱和功之間的轉換關(guān)系，并由此得到了能量守恒定律，最終發(fā)展出熱力學(xué)第一定律。國際單位制導出單位中，能量的單位——焦耳，就是以他的名字命名。他和開(kāi)爾文合作發(fā)展了溫度的絕對尺度。他還觀(guān)測過(guò)磁致伸縮效應，發(fā)現了導體電阻、通過(guò)導體電流及其產(chǎn)生熱能之間的關(guān)系，也就是常稱(chēng)的焦耳定律。

人物經(jīng)歷

家世背景

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule），英國物理學(xué)家。1818年12月24日出生于英格蘭北部曼徹斯特近郊的沙弗特（Salford）。

他的父親本杰明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858）是一個(gè)富有的釀酒師（Brewing），他的母親為愛(ài)麗絲·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。

焦耳出生時(shí)他們家在索爾福德的新貝利街，與他家的啤酒廠(chǎng)毗鄰。焦耳在年幼時(shí)因為身體健康原因一直在索爾福德附近彭德?tīng)柌铮≒endlebury）的一個(gè)家庭學(xué)校里就學(xué)。

焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動(dòng)，沒(méi)有受過(guò)正規的教育。青年時(shí)期，在別人的介紹下，焦耳認識了著(zhù)名的化學(xué)家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導，教給了他數學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)方面的知識，這些知識為焦耳后來(lái)的研究奠定了理論基礎。道爾頓教會(huì )了焦耳理論與實(shí)踐相結合的科研方法，激發(fā)了焦耳對化學(xué)和物理的興趣，并在他的鼓勵下決心從事科學(xué)研究工作。

學(xué)習生涯

1834年，16歲的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì )（Manchester Literary and Philosophical Society）道爾頓的門(mén)下學(xué)習。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學(xué)習了兩年算術(shù)和幾何。后來(lái)道爾頓因中風(fēng)而退休。但是跟隨道爾頓的這段經(jīng)歷影響了焦耳的一生。焦耳后來(lái)又受約翰·戴維斯（John Davies (lecturer)）指導。焦耳兄弟倆對電學(xué)非常著(zhù)迷，曾經(jīng)實(shí)驗過(guò)相互電擊，還拿家里的仆人們做過(guò)實(shí)驗。

焦耳在受道爾頓指導期間，于1835年進(jìn)入曼徹斯特大學(xué)就讀。畢業(yè)后開(kāi)始參加經(jīng)營(yíng)自家的啤酒廠(chǎng)，直到1854年賣(mài)出啤酒廠(chǎng)，他在經(jīng)營(yíng)上都一直很活躍?？茖W(xué)開(kāi)始只是焦耳的一個(gè)愛(ài)好，直到后來(lái)他開(kāi)始研究用新發(fā)明的電動(dòng)機來(lái)替換啤酒廠(chǎng)的蒸汽機的可行性。

1838年，他的第一篇關(guān)于電學(xué)的科學(xué)論文發(fā)表在《電學(xué)年鑒》（Annals of Electricity）上。這份學(xué)術(shù)期刊是由戴維斯的同事威廉·斯特金（William Sturgeon）創(chuàng )辦和主持的。

1840年，他的第一篇重要的論文被送到英國皇家學(xué)會(huì )，當中指出電導體所發(fā)出的熱量與電流強度、導體電阻和通電時(shí)間的關(guān)系，即焦耳定律。本來(lái)準備讓皇家學(xué)會(huì )大吃一驚的，可后來(lái)發(fā)現自己被僅僅當作鄉下的業(yè)余愛(ài)好者。

當斯特金在1840年搬到曼徹斯特后，他和焦耳成為了這個(gè)城市知識分子的核心。他倆同感，科學(xué)和神學(xué)應該并且可能整合在一起。焦耳開(kāi)始在斯特金的皇家維多利亞實(shí)踐科學(xué)講座（Royal Victoria Gallery of Practical Science）上開(kāi)辦講座。

他后來(lái)認識到，在蒸汽機燒1磅煤所產(chǎn)生的熱量是在革若夫電池（英語(yǔ)：Grove cell）（一種早期的電池）里消耗1磅鋅所發(fā)出熱量的5倍。焦耳對“經(jīng)濟負荷”（economical duty）的通常標準是，將1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英語(yǔ)：Foot-pound (energy)）。

焦耳被弗朗茲·艾皮努斯（Franz Aepinus）的想法所影響，試圖用被“振動(dòng)形態(tài)的熱質(zhì)以太（calorific ether in a state of vibration）”所環(huán)繞的原子來(lái)解釋電學(xué)和磁。

然而焦耳的興趣從有關(guān)可以從給定來(lái)源提取多少功這樣的狹隘的經(jīng)濟問(wèn)題開(kāi)始轉向，最終到思考能量的可轉換性。

焦耳提出能量守恒與轉化定律：能量既不會(huì )憑空消失，也不會(huì )憑空產(chǎn)生，它只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個(gè)物體轉移到另一個(gè)物體，而能的總量保持不變，奠定了熱力學(xué)第一定律（能量不滅原理）之基礎。

1883年他發(fā)表了一些實(shí)驗結果，顯示他在1841年所定量化的熱效應是因為導體本身的發(fā)熱，而不是從裝置其他部分傳來(lái)的熱量。這個(gè)結論對當時(shí)的熱質(zhì)說(shuō)是一個(gè)直接的挑戰。熱質(zhì)說(shuō)認為，熱量既不能被創(chuàng )造，也不能被銷(xiāo)毀。自從被拉瓦錫在1783年提出后，熱質(zhì)說(shuō)一直是熱學(xué)領(lǐng)域的主導性的理論。拉瓦錫的影響力再加上尼古拉·卡諾自1824年提出的關(guān)于熱機的熱質(zhì)理論在實(shí)踐中的成功，使得既不在學(xué)術(shù)界又不在工程界的年輕的焦耳看起來(lái)前途坎坷。熱質(zhì)說(shuō)的支持者準備指出，熱電效應的對稱(chēng)性說(shuō)明熱能和電能是（至少大約）可以被一個(gè)可逆過(guò)程所相互轉化的。

科研生平紀年

1837年，焦耳裝成了用電池驅動(dòng)的電磁機，并發(fā)表了關(guān)于這方面的論文而引起人們的注意。

1840年，焦耳把環(huán)形線(xiàn)圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時(shí)的水溫。12月焦耳在英國皇家學(xué)會(huì )上宣讀了關(guān)于電流生熱的論文，提出電流通過(guò)導體產(chǎn)生熱量的定律。由于不久之后，俄國物理學(xué)家楞次也獨立發(fā)現了同樣的定律，該定律也稱(chēng)為焦耳-楞次定律。

1843年，焦耳設計了一個(gè)新實(shí)驗。將一個(gè)小線(xiàn)圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線(xiàn)圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這個(gè)電路是完全封閉的，沒(méi)有外界電源供電，水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果，整個(gè)過(guò)程不存在熱質(zhì)的轉移。這一實(shí)驗結果完全否定了熱質(zhì)說(shuō)。

1843年8月21日，在英國學(xué)術(shù)會(huì )上，焦耳宣讀了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中說(shuō)1千卡的熱量相當于460千克米的功。他的報告沒(méi)有得到支持和強烈的反響，這時(shí)他意識到自己還需要進(jìn)行更精確的實(shí)驗。

1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時(shí)的溫度變化，他在這方面取得了許多成就。通過(guò)對氣體分子運動(dòng)速度與溫度的關(guān)系的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運動(dòng)速度值，從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定律的基礎，并解釋了氣體對器壁壓力的實(shí)質(zhì)。

1852年，他們發(fā)現當自由擴散氣體從高壓容器進(jìn)入低壓容器時(shí)，大多數氣體和空氣的溫度都要下降。這一現象后來(lái)被稱(chēng)為焦耳-湯姆遜效應。這個(gè)效應在低溫和氣體液化方面有廣泛的應用。焦耳對蒸汽機的發(fā)展也做出了不少有價(jià)值的工作。

1847年，焦耳做了迄今認為是設計思想最巧妙的實(shí)驗：他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然后讓下降重物帶動(dòng)葉片旋轉，由于葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。

根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水的升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進(jìn)行比較就可以求出熱功當量的準確值來(lái)。焦耳還用鯨魚(yú)油代替水來(lái)作實(shí)驗，測得了熱功當量的平均值為423.9千克米/千卡。接著(zhù)又用水銀來(lái)代替水，不斷改進(jìn)實(shí)驗方法，直到1878年。這時(shí)距他開(kāi)始進(jìn)行這一工作將近四十年了，他前后用各種方法進(jìn)行了四百多次的實(shí)驗。

當焦耳在1847年的英國科學(xué)學(xué)會(huì )的會(huì )議上再次公布自己的研究成果時(shí)，他還是沒(méi)有得到支持，很多科學(xué)家都懷疑他的結論，認為各種形式的能之間的轉化是不可能的。直到1850年，其他一些科學(xué)家用不同的方法獲得了能量守恒定律和能量轉化定律，他們的結論和焦耳相同，這時(shí)焦耳的工作才得到承認。

1850年，焦耳憑借他在物理學(xué)上作出的重要貢獻成為英國皇家學(xué)會(huì )會(huì )員，當時(shí)他32歲，兩年后他接受了皇家勛章。許多外國科學(xué)院也給予他很高的榮譽(yù)。雖然焦耳不停地進(jìn)行著(zhù)他的實(shí)驗測量工作，遺憾的是，他的科學(xué)創(chuàng )造性，特別是在物理概念方面的創(chuàng )造性，過(guò)早地就減少了。

1875年，英國科學(xué)協(xié)會(huì )委托他更精確地測量熱功當量。他得到的結果是4.15，非常接近1卡=4.184焦耳。

1875年，焦耳的經(jīng)濟狀況大不如前。這位曾經(jīng)富有過(guò)但卻沒(méi)有一定職位的人發(fā)現自己在經(jīng)濟上處于困境，幸而他的朋友幫他弄到一筆每年200英鎊的養老金，使他得以維持中等舒適的生活。五十五歲時(shí)，他的健康狀況惡化，研究工作減慢了。

1878年，當焦耳六十歲時(shí)，他發(fā)表了最后一篇論文。

1889年10月11日，焦耳在索福特逝世，享年71歲。

主要成就

焦耳定律的發(fā)現

1840年12月，他在英國皇家學(xué)會(huì )上宣讀了關(guān)于電流生熱的論文，提出電流通過(guò)導體產(chǎn)生熱量的定律；由于不久俄國物理學(xué)家海因里?！だ愦我勃毩⒌匕l(fā)現了同樣的定律，而被稱(chēng)為焦耳-楞次定律。

用公式表示如下：Q=I^2*Rt(J)

I=通過(guò)導體的電流，單位（安培）：A

R=導體的有效電阻，單位（歐姆）：Ω

t=通電時(shí)間，單位（秒）：s

熱功當量的測定

焦耳的主要貢獻是他鉆研并測定了熱和機械功之間的當量關(guān)系。這方面研究工作的第一篇論文《關(guān)于電磁的熱效應和熱的功值》，是在1843年英國《哲學(xué)雜志》第23卷第3輯上發(fā)表的。此后，他用不同材料進(jìn)行實(shí)驗，并不斷改進(jìn)實(shí)驗設計，結果發(fā)現盡管所用的方法、設備、材料各不相同，結果都相差不遠；并且隨著(zhù)實(shí)驗精度的提高，趨近于一定的數值。

最后他將多年的實(shí)驗結果寫(xiě)成論文發(fā)表在英國皇家學(xué)會(huì )《哲學(xué)學(xué)報》1850年第140卷上，其中闡明：

第一，不論固體或液體，摩擦所產(chǎn)生的熱量，總是與所耗的力的大小成比例。

第二，要產(chǎn)生使1磅水（在真空中稱(chēng)量，其溫度在50～60華氏度之間）增加1華氏度的熱量，需要耗用772磅重物下降1英尺的機械功。

他精益求精，直到1878年還有測量結果的報告。

他近40年的研究工作，為熱運動(dòng)與其他運動(dòng)的相互轉換、運動(dòng)守恒等問(wèn)題，提供了無(wú)可置疑的證據，焦耳因此成為能量守恒定律的發(fā)現者之一。

圖冊圖片來(lái)源：

焦耳-湯姆孫效應

1852年焦耳和w.湯姆孫（即開(kāi)爾文）發(fā)現氣體自由膨脹時(shí)溫度下降的現象，被稱(chēng)為焦耳-湯姆孫效應。這效應在低溫和氣體液化方面有廣泛應用。他對蒸汽機的發(fā)展作了不少有價(jià)值的工作。

理論成就

理論的接納

最初對焦耳的工作的一些反對是因為他的工作依賴(lài)于極端精確的測量。他聲稱(chēng)可以將溫度的測量精確到?₂₀₀℉（3mK）以?xún)?。這個(gè)精度在當時(shí)的實(shí)驗物理領(lǐng)域是很不尋常的。不過(guò)焦耳的懷疑者可能忘了焦耳在釀酒方面的經(jīng)歷。而且他還得到測量?jì)x器制作家約翰·本杰明·丹瑟（John Benjamin Dancer）的大力支持。

德國的赫爾曼·亥姆霍茲卻開(kāi)始熟悉焦耳的工作以及尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾在1842的類(lèi)似研究。雖然這兩人在各自發(fā)表了自己的工作后都被一直忽視，但亥姆霍茲在1847年結論性的宣布能量守恒定律時(shí)承認了他倆的貢獻。

此外在1847年英國協(xié)會(huì )于牛津的會(huì )議上，焦耳也做了一個(gè)報告，當時(shí)的聽(tīng)眾中有喬治·斯托克斯、邁克爾·法拉第以及超前且獨立特行的威廉·湯姆森，也就是后來(lái)的開(kāi)爾文男爵。開(kāi)爾文當時(shí)已經(jīng)被聘為格拉斯哥大學(xué)的自然哲學(xué)教授。斯托克斯是“傾向成為一個(gè)焦耳（inclined to be a Joulite）”，法拉第雖然心存懷疑但還是“被焦耳的理論所震驚（much struck with it）”。開(kāi)爾文被迷住了但還是有所懷疑。

對首發(fā)的爭論

這一年的晚些時(shí)候，開(kāi)爾文與焦耳又在霞慕尼不期而遇。焦耳當時(shí)剛和阿米莉婭·葛萊姆絲（Amelia Grimes）在8月18日結婚后來(lái)到此地度蜜月。盡管焦耳還在婚禮的熱情中，他還是和開(kāi)爾文安排了幾日后去測量色朗契斯（Sallanches）瀑布頂部和底部的溫度差。焦耳認為瀑布沖下時(shí)的能量改變，會(huì )稍微增加水的熱量與溫度。但是在大自然下，還有許多其他的因素會(huì )影響水溫，所以他們沒(méi)有收獲。

雖然開(kāi)爾文覺(jué)得焦耳的結果需要理論的解釋?zhuān)€后退并為卡諾-克拉佩龍學(xué)派辯護。當開(kāi)爾文在1848年報導絕對溫度時(shí)，他寫(xiě)到，“熱量（或者卡路里）轉化為機械能的效應不太可能且肯定無(wú)法證實(shí)?！钡窃谒囊粋€(gè)腳注里暗示了他的最初的對熱質(zhì)說(shuō)的懷疑，他參考了焦耳的“非常讓人印象深刻的發(fā)現”。當焦耳讀到開(kāi)爾文的一篇文章后寫(xiě)信給他，聲稱(chēng)自己的實(shí)驗已經(jīng)顯示了熱量向功的轉化，但還是在準備做更進(jìn)一步的實(shí)驗。讓人吃驚的是，開(kāi)爾文沒(méi)有回寄給焦耳他自己文章的拷貝。開(kāi)爾文在回信中提到，他正在準備自己的實(shí)驗，并且希望能調和兩人的觀(guān)點(diǎn)。雖然開(kāi)爾文在之后的兩年里并沒(méi)有進(jìn)行新的實(shí)驗，但他越來(lái)越不滿(mǎn)卡諾的理論，轉而相信焦耳的觀(guān)點(diǎn)。在1851的文章里，開(kāi)爾文愿意做一個(gè)折中，承認“整個(gè)熱的動(dòng)能理論是基于……兩個(gè)……前提，分別是焦耳和卡諾-克拉佩龍的理論（the whole theory of the motive power of heat is founded on ... two ... propositions, due respectively to Joule, and to Carnot and Clausius）”。

當焦耳一讀到這篇文章，他馬上寫(xiě)信給開(kāi)爾文談了他的評論和問(wèn)題。隨后倆人通過(guò)大量的通信開(kāi)始了富有成果的合作。焦耳進(jìn)行實(shí)驗，開(kāi)爾文分析實(shí)驗結果并建議進(jìn)一步的實(shí)驗。這個(gè)合作從1852年持續到1856年，他們的成果中包括有焦耳-湯姆孫效應。關(guān)于這個(gè)成果的發(fā)表論文使得焦耳的研究和分子運動(dòng)論被人們廣泛接受。

分子運動(dòng)論

動(dòng)力學(xué)是有關(guān)運動(dòng)的科學(xué)。焦耳是道爾頓的學(xué)生，所以不奇怪他深深信任原子理論，而盡管同時(shí)代的許多科學(xué)家還在懷疑該理論。他也是少數能夠接受當時(shí)還在被忽視的約翰·赫帕斯的氣體的動(dòng)力學(xué)理論的人之一。他后來(lái)深深的被彼得·愛(ài)華德（Peter Ewart）在1813年的一篇文章“論動(dòng)力的測量（On the measure of moving force）”所影響。

焦耳察覺(jué)到了他的發(fā)現和熱動(dòng)力學(xué)理論之間的關(guān)系。他的實(shí)驗筆記表明，他相信熱是旋轉運動(dòng)而不是平移運動(dòng)的一種形式。

焦耳無(wú)法抗拒在弗蘭西斯·培根、艾薩克·牛頓爵士、約翰·洛克、倫福德伯爵和漢弗里·戴維爵士等前人那找到自己觀(guān)點(diǎn)的前例。雖然這些觀(guān)點(diǎn)都是有道理的，但焦耳還是根據倫福德發(fā)表的文章估計出一個(gè)熱功當量值，1034ft·lbf/Btu。一些現代作者已經(jīng)從根本上批判了這個(gè)方法，認為倫福德的實(shí)驗無(wú)法代表著(zhù)系統的定量測量。在焦耳的一篇個(gè)人筆記中，他斷言邁爾的測量并不比倫福德的更精確，可能希望邁爾沒(méi)有參加過(guò)他自己的工作。焦耳對解釋綠閃光現象也有所貢獻，他在1869年給曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì )的一封信中提到這個(gè)現象。

獲得榮譽(yù)

1850年焦耳當選為英國皇家學(xué)會(huì )會(huì )員。

1866年由于他在熱學(xué)、熱力學(xué)和電方面的貢獻，皇家學(xué)會(huì )授予他最高榮譽(yù)的科普利獎?wù)拢–opley Medal）。后人為了紀念他，把能量或功的單位命名為“焦耳”，簡(jiǎn)稱(chēng)“焦”；并用焦耳姓氏的第一個(gè)字母“J”來(lái)標記熱量。

1889年10月11日，焦耳在塞爾的家中逝世，被安葬在該市的布魯克蘭（英語(yǔ)：Brooklands, Trafford）公墓。在他的墓碑上刻有數字“772.55”，這是他在1878年的關(guān)鍵測量中得到的熱功當量值。墓碑上還刻有約翰福音的一段話(huà)，“趁著(zhù)白日，我們必須做那差我來(lái)者的工；黑夜將到，就沒(méi)有人能做工了?！蔽挥谒鳡柕耐贡揪起^改為以他的名字命名。

• 曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì )（Manchester Literary and Philosophical Society）主席，（1860）；

• 英國科學(xué)協(xié)會(huì )（British Association for the Advancement of Science）主席，（1872、1887）；

• 榮譽(yù)學(xué)位：LL.D.，都柏林三一學(xué)院，（1857）；

• DCL（Doctor of Civil Law），牛津大學(xué)，（1860）；

• LL.D.，愛(ài)丁堡大學(xué)，（1871）。

• 他在1878年收到了由王室專(zhuān)款（civil list）撥出的津貼，為“每年”￡200，是為了獎勵他在科學(xué)上的服務(wù)；

• 皇家文藝學(xué)會(huì )的阿爾伯特獎?wù)拢ˋlbert Medal (RSA)），（1880）。

• 盡管焦耳沒(méi)有葬于西敏寺，但還是在那為他舉行了紀念儀式。

• 由阿爾弗雷·德吉爾伯特（Alfred Gilbert）完成的塑像坐落在曼徹斯特市政廳（Manchester Town Hall）中，與道爾頓的塑像相對。

人物影響

無(wú)論是在實(shí)驗方面，還是在理論上，焦耳都是從分子動(dòng)力學(xué)的立場(chǎng)出發(fā)，進(jìn)行深入研究的先驅者之一。在從事這些研究的同時(shí)，焦耳并沒(méi)有間斷對熱功當量的測量。

在去世前兩年，焦耳對他的弟弟的說(shuō)：“我一生只做了兩三件事，沒(méi)有什么值得炫耀的?！毕嘈艑τ诖蠖鄶滴锢韺W(xué)家，他們只要能夠做到這些小事中的一件也就會(huì )很滿(mǎn)意了。焦耳的謙虛是非常真誠的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂為他建造了紀念碑，并以他的名字命名能量單位，他將會(huì )感到驚奇，雖然后人決不會(huì )感到驚奇。

十八世紀，人們對熱的本質(zhì)的研究走上了一條彎路：“熱質(zhì)說(shuō)”在物理學(xué)史上統治了一百多年。雖然曾有一些科學(xué)家對這種錯誤理論產(chǎn)生過(guò)懷疑，但人們一直沒(méi)有辦法解決熱和功的關(guān)系的問(wèn)題；是英國自學(xué)成才的物理學(xué)家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為最終解決這一問(wèn)題指出了道路。