求书:焦耳的自传

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  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,然而由于老师有病,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。

  焦耳是英国物理学家。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。

  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。

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

  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(在线华氏度的热量,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。

  1852年焦耳和W.汤姆孙(即开尔文)发现气体自由膨胀时温度下降的现象,被称为焦耳-汤姆孙效应。这效应在低温和气体液化方面有广泛应用。他对蒸汽机的发展作了不少有价值的工作,还第一次计算了有关气体分子的速度。

  焦耳是一位主要靠自学成才的科学家,他对物理学做出重要贡献的过程不是一帆风顺的。1843年8月,在考尔克的一次学术报告会上,焦耳作了题为《论磁电的热效应和热的机械值》的报告。他在报告中提出热量与机械功之间存在着恒定的比例关系,并测得热功当量值为1千卡热量相当于460千克米的机械功。这一结论遭到当时许多物理学家的反对。

  为了证明这个发现是成功的,焦耳以极大的毅力,采用不同的方法,长时间地反复进行实验。1843年末,焦耳通过摩擦作用测得热功当量是424.9千克米/千卡1千克米=9.8焦耳。1844年通过对压缩空气做功和空气温度升高的关系的实验,测得热功当量是443.8千克米/千卡。尤其在1847年,焦耳精心地设计了一个著名的热功当量测定装置,也就是用下降重物带动叶桨旋转的方法,搅拌水或其他液体产生热量。焦耳用水和鲸油作搅拌液,分别测量,然后取平均值,得到热功当量平均值是428.9千克米/千卡。1849年6月21日,焦耳给英国伦敦皇家学会报告了这个结果。从1849到1878年,焦耳反复作了四百多次实验,所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡,这和现在公认值427千克米/千卡相比,只小0.7%。焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术,在当时的实验条件下,测得的热功当量值能够在几十年时间里不作比较大的修正,这在物理学史上也是空前的。难怪威廉·汤姆孙称赞说:“焦耳具有从观察到的极细微的效应中作出重大结论的胆识,具有从实验中逼出精度来的高度技巧,充分得到人们的赏识和钦佩。”

  1845年在剑桥召开的英国科学协会学术会议上,焦耳又一次作了热功当量的研究报告,宣布热是一种能量形式,各种形式的能量可以互相转化。但是焦耳的观点遭到与会者的否定,英国伦敦皇家学会拒绝发表他的论文。1847年4月,焦耳在曼彻斯特作了一次通俗讲演,充分地阐述了能量守恒原理,但是地方报纸不理睬,在进行了长时间的交涉之后,才有一家报纸勉强发表了这次讲演。同年6月,在英国科学协会的牛津会议上,焦耳再一次提出热功当量的研究报告,宣传自己的新思想。会议主席只准许他作简要的介绍。只是由于威廉·汤姆孙在焦耳报告结束后作了即席发言,他的新思想才引起与会者的重视。直到1850年,焦耳的科学结论终于获得了科学界的公认。

  焦耳在探索科学真理的道路上,也走过弯路。他年轻的时候,正是“永动机热”席卷欧洲的时代,许多人钻进了永动机的迷宫,妄想制造出一种不消耗能量永远做功的机器。焦耳也是个“永动机迷”,曾经狂热地追求过永动机,几乎消磨了他全部的业余时间。他通宵达旦地冥思苦索、设计方案、制作机件,但是没有一个是成功的。失败引起了焦耳的深思,为什么乍一看设计上几乎无懈可击的机器,做出来却总是一堆废物?焦耳没有象有些人那样,明明进入了迷宫,还以为走进了科学的殿堂,梦见迷路是什么意思碰了壁也不回头。他吸取教训,迷途知返,毅然退出了幻想的迷宫,转向脚踏实地的科学研究,探求隐藏在失败背后的科学真谛。经过勤奋实践,他终于找到了热功当量,为建立能量守恒定律作出了杰出的贡献。这个定律好比一块路标,插在寻找永动机的十字路口,警告迷途人:此路不通!据说焦耳还现身说法,语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说:“不要永动机,要科学!”


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