焦耳期刊发表论文

第一，关于力的概念。力的概念源自牛顿第一定律，牛顿第一定律导出了两个概念：①力的概念。力是改变物体运动状态（即改变速度）的原因。又根据加速度定义 ，速度变化就一定有加速度，所以可以说力是使物体产生加速度的原因（不能说“力是产生速度的原因”、“力是维持速度的原因”，也不能说“力是改变加速度的原因”）。②惯性的概念。一切物体都有保持原有运动状态的性质，这就是惯性。惯性反映了物体运动状态改变的难易程度（惯性大的物体运动状态不容易改变）。质量是物体惯性大小的量度。第二，关于速度概念，速度是描述物体运动快慢的物理量，定义为位移随着时间的变化率。第三，关于能量概念。能量，乃物理学中描写一个系统或一个过程的一个量，就是使物体动或变的力所做的功。一个系统的能量可以被定义为从一个被定义的零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。一个系统到底有多少能量，在物理中并不是一个确定的值，它随着对这个系统的描写而变换。能既不会无中生有，也不会自行消失，而只可由一种形态变成另一种形态.即宇宙中的总能量保持不变. 能量守恒定律是这样发现的: 物质不灭定律的发现，是科学史上的一件大事。然而，物质不灭定律只是说明了在燃烧过程中物质不灭，至于在燃烧过程中发出的光和热，这些能量从哪儿来的，又跑到哪儿去了，它并没有回答。 也就是说，在这里涉及燃烧过程中的另一个重要问题——能量是不是守恒？ 这事儿得从意大利物理学家西蒙·斯台文在1586年出版的一本力学专著说起。在这本著作里，斯台文用铁的事实，批驳了著名古希腊科学家亚里士多德的错误观点。 亚里士多德认为，如果两个物体从高处落下来，重的物体先着地，轻的物体后落地。千百年来，谁也没有怀疑过亚里士多德的话，以为是理所当然的。 然而，会计员出身的斯台文在他的著作中，却详细记述了他的实验： “反对亚里士多德的实验是这样的：让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下来，落在一块木板或者是什么可以发生清晰响声的东西上面，那么，我们会看出轻铅球并不需要比重铅球10倍的时间，而是同时落到木板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”[50] 斯台文以不可辩驳的实验，证明了大名鼎鼎的亚里士多德错了！在科学上，所尊重的只是实践，而不尊崇任何偶像！ 不久，著名的意大利物理学家伽利略继续钻研这一个问题，又进一步发现：落下来的物体的速度，是随着时间而均匀地增加的。如果把一个从10米高处落下的物体抛回10米的高度，那么，抛出的速度正好等于物体从10米高处快落到地面时的速度。伽利略把物体的质量与速度的乘积（即mv）称为“动量”。他认为物体的动量是守恒的。 伽利略只是作了初步的探索。 到了1824年，法国的一位20多岁的青年工程师萨迪·卡诺（1796—1832），十分起劲地研究着蒸汽机。卡诺虔诚地信仰热素学说，以为物体之所以热，是因为含有“热素”的缘故。卡诺从对蒸汽机的研究中，认为在蒸汽机工作时，热素的量——热量并没有减少，总热量是不变有，只不过从高温的地方“流”到了低温的地方，仿佛水从高处流到低处，推动了水轮机工作，而水的总量并没有减少。正因为这样，恩格斯认为，“萨迪·卡诺是第一个认真研究这个问题（即能量守恒问题——编著者注）的人”[51]，然而，“阻碍他完全解决这个问题的，并不是事实材料的不足，而只是一个先入为主的错误理论”[52]。 到了1830年，卡诺在实践中发现热素理论错了，在他的笔记中曾这样写道： “热不是别的东西，……它是一种运动。” “动力（能量）是自然界的一个不变量，准确地说，它既不能产生，也不能消灭。” 可惜的是，过了两年——卡诺还只36岁，竟不幸死去。他的这些笔记，直到他死后40多年，才被人们所发现！ 也就在这时候，一位德国的青年医生罗伯特·迈尔（1814—1878）开始钻研这个问题。当时，迈尔在一艘远洋轮船上担任船医。他发现，当船在热带航行时，从病人静脉中抽出来的血液，要比在欧洲时更红一些。这是为什么呢？迈尔想，大约是热带气温高，人体消耗的热量少，于是血液从人体中吸收的养料也比较少；养料在血液中氧化减少，所以静脉中含氧比较多，于是颜色就红一些。迈尔从中得到启发，懂得养料中的化学能，可以转化为热能。他认为，有多少化学能，就只能转化为多少热能，转化时能量不会增多，也不会减少。 1814年，年仅27岁的迈尔大胆地写了一篇论文《关于非生物界各种力的意见》，明确地提出能量“无不生有，有不变无”，认为各种形式的能量可以互相转化，但是转化前后的总能量是守恒的。 迈尔把论文寄给了当时的学术界享有盛誉的德国《物理学和化学年鉴》杂志。这家杂志的主编波根道夫对这位“无名小卒”的来稿理也不理，不仅不发表，连原稿都没有退还给他。 迈尔并不灰心，坚信真理在他手中。迈尔又写了几篇论文，更加明确地论述了能量守恒的原理。这些论文寄出去以后，仍如石沉大海，毫无回音。迈尔没办法，到后来，他把自己仅有的一点积蓄拿出来，在一家杂志上自费发表了论文。 谁知论文的发表，给迈尔招来了灾难。当时那些科学界的权威们满脑子是“热素”、“燃素”之类神秘的“素”，把迈尔的理论视为“邪说异端”。于是，有人造谣说迈尔患了精神病，才写出那样胡说八道的文章，竟然把迈尔关进了疯人院！ 无独有偶。在英国，一位名叫焦耳的青年酿酒商人，利用业余时间，对电流通过电阻时产生的发热现象，进行了认真的研究。1840年，年仅22岁的焦耳发表了论文《论伏打电所产生的热》，提出了他经过多次实验发现的一条定律：当电流通过导体时，导体在一定时间内产生的热量同导体的电阻和电流强度平方的乘积成正比。在这里，焦耳不仅指出了电能会转化为热能，而且以精确的数学公式表明了转换规律。 过了3年，焦耳又发表了论文《论磁电的热量效应和热的机械值》，清楚地指出：“那里消耗了机械力，总能得到相当的热。”焦耳以自己精确的实验为依据，说明“使一磅水增加1°F的热量等于把770磅[53]物体提高1英尺的机械功。” 焦耳的论文同样被当时的科学界权威们嗤之以鼻，不予理睬。然而，焦耳是个勇往直前的年青人，他坚持做了大量的实验，以精确的数据有力地说明各种能量在转化时确实是守恒的。这些精确的实验，是无法抹煞的！经过整整10年的奋战，焦耳接二连三地发表了一系列论文，这才逐渐引起了各国科学界的重视。 与此同时，许多不同国籍的科学家各自独立地进行着这方面的研究： 丹麦28岁的科学家柯尔丁（1815—1888），通过对摩擦生热现象的研究，写成了关于能量守恒定律的论文，送给哥本哈根科学院。 1847年，德国年仅26岁的军医赫尔曼·赫尔姆霍茨（1821—1894）写了论文《论力的守恒》，阐述能量守恒的思想。他的论文寄到《物理学和化学年鉴》杂志，同样被主编波根道夫所压制，没有发表。后来，赫尔姆霍茨自费印刷了这篇论文。 1842年，英国31岁的律师格罗夫（1811—1896），也独立地提出了能量守恒定律。 ……就这样，在一批年青的、各种职业的业余科学家们的努力之下，终于用排炮轰开了那些科学界“权威人士”的顽固脑壳，使他们不得不在事实面前，承认了能量守恒定律——自然界的又一重要定律。 恩格斯把能量守恒定律作为19世纪的三大发现（能量守恒定律、细胞学说、达尔文进化论）之一，热烈地赞颂它： “第一是由热的机械当量的发现（罗伯特·迈尔、焦耳和柯尔丁）所导致的能量转化的证明。自然界中所有无数起作用的原因，过去一直被看作一种神秘的不可解释的存在物，即所谓力——机械力、热、放射（光和辐射热）、电、磁、化学化合力和分解力，现在都已经证明是同一种能（即运动）的特殊形式，即存在方式；我们不仅可以证明，它在自然界中经常从一种形式转化到另一种形式，而且甚至可以在实验室中和工业中实现这种转化，使某一形式的一定量的能总是相当于另一形式的一定量的能。……自然界中整个运动的统一，现在已经不再是哲学的论断，而是自然科学的事实了。”

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule），1818年12月24日出生于苏格兰北部曼彻斯特近郊的沙弗特（Salford）。 他的父亲是本杰明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858），一个富有的酿酒师（Brewing），他的母亲为爱丽丝·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。焦耳出生时他们家在索尔福德的新贝利街，与他家的啤酒厂毗邻。 焦耳在年幼时因为身体健康原因一直在索尔福德附近彭德尔伯里（Pendlebury）的一个家庭学校里就学。焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导，教给了他数学、哲学和化学方面的知识，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教会了焦耳理论与实践相结合的科研方法，激发了焦耳对化学和物理的兴趣，并在他的鼓励下决心从事科学研究工作。 1840年他的第一篇重要的论文于被送到英国皇家学会，当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间的关系，此即焦耳定律。焦耳提出能量守恒与转化定律：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化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变，奠定了热力学第一定律（能量不灭原理）之基础。1834年，16岁的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会（英语：Manchester Literary and Philosophical Society）的道尔顿的门下学习。 焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何。后来道尔顿因中风而退休。但是跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。焦耳后来又受约翰·戴维斯（John Davies (lecturer)）指导。焦耳兄弟俩对电学非常着迷，曾经实验相互电击，还拿家里的仆人们做过实验。焦耳在受道尔顿指导期间，于1835年进入曼彻斯特大学就读。毕业后开始参加经营自家的啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂，他在经营上都一直很活跃。 科学开始只是焦耳的一个爱好，直到后来他开始研究用新发明的电动机来替换啤酒厂的蒸汽机的可行性。1838年，他的第一篇关于电学的科学论文被发表在《电学年鉴》（Annals of Electricity）上。这份学术期刊是由戴维斯的同事威廉·斯特金（英语：William Sturgeon）创办和主持的。1840年，他得出了焦耳定律的公式， 本来准备让皇家学会大吃一惊的，可后来发现自己被仅仅当作乡下的业余爱好者。当斯特金在1840年搬到曼彻斯特后，他和焦耳成为了这个城市知识分子的核心。他俩同感，科学和神学应该并且可能整合在一起。焦耳开始在斯特金的皇家维多利亚实践科学讲座（英语：Royal Victoria Gallery of Practical Science）上开办讲座。他后来认识到，在蒸汽机烧1磅煤所产生的热量是在革若夫电池（英语：Grove cell）（一种早期的电池）里消耗1磅锌所发出热量的5倍。 焦耳对“经济负荷”（economical duty）的通常标准是，将1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英语：Foot-pound (energy)）。焦耳被弗朗兹·艾皮努斯（英语：Franz Aepinus）的想法所影响，试图用被“振动形态的热质以太（calorific ether in a state of vibration）”所环绕的原子来解释电学和磁。然而焦耳的兴趣从有关可以从给定来源提取多少功这样的狭隘的经济问题开始转向，最终到思考能量的可转换性。1883年他发表了一些实验结果，显示他在1841年所定量化的热效应是因为导体本身的发热，而不是从装置其他部分传来的热量。 这个结论对当时的热质说是一个直接的挑战。热质说认为，热量既不能被创造，也不能被销毁。自从被拉瓦锡在1783年提出后，热质说一直是热学领域的主导性的理论。拉瓦锡的影响力再加上尼古拉·卡诺自1824年所提出的关于热机的热质理论在实践中的成功，使得既不在学术界又不在工程界的年轻的焦耳看起来前途坎坷。热质说的支持者准备指出，热电效应的对称性说明热能和电能是（至少大约）可以被一个可逆过程所相互转化的。 1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，并发表了关于这方面的论文而引起人们的注意。1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。12月焦耳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。由于不久之后，俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律，该定律也称为焦耳-楞次定律。1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量感生电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果，整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。1843年8月21日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》，他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还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时的温度变化，他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究，焦耳计算出了气体分子的热运动速度值，从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力的实质。1852年，他们发现当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降。这一现象后来被称为焦耳-汤姆逊效应。这个效应在低温和气体液化方面有广泛的应用。焦耳对蒸汽机的发展也做出了不少有价值的工作。1847年，焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装了水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降重物带动叶片旋转，由于叶片和水的磨擦，水和量热器都变热了。根据重物下落的高度，可以算出转化的机械功；根据量热器内水的升高的温度，就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。 焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了热功当量的平均值为千克米/千卡。接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到1878年。这时距他开始进行这一工作将近四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。当焦耳在1847年的英国科学学会的会议上再次公布自己的研究成果时，他还是没有得到支持，很多科学家都怀疑他的结论，认为各种形式的能之间的转化是不可能的。直到1850年，其他一些科学家用不同的方法获得了能量守恒定律和能量转化定律，他们的结论和焦耳相同，这时焦耳的工作才得到承认。1850年，焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员，当时他三十二岁，两年后他接受了皇家勋章。许多外国科学院也给予他很高的荣誉。虽然焦耳不停地进行着他的实验测量工作，遗憾的是，他的科学创造性，特别是在物理概念方面的创造性，过早地就减少了。1875年，英国科学协会委托他更精确地测量热功当量。他得到的结果是，非常接近1卡=焦耳。1875年，焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境，幸而他的朋友帮他弄到一笔每年200英镑的养老金，使他得以维持中等但舒适的生活。五十五岁时，他的健康状况恶化，研究工作减慢了。1878年当他六十岁时，焦耳发表了他的最后一篇论文。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。