焦耳介绍科普（如虚如实说焦耳）

焦耳这个词有些拗口。所以人们有时候就叫“焦”。它是一个能量的单位。把1公斤重的物体提起来需要多少焦？把1升水煮开需要多少焦？

推动一个质量为1公斤（kg）的物体，使之产生每秒平方1米（m/s2）的加速度所需要的力是1牛顿（N）；在这个力的作用下，物体移动了1米所需要的能量就是1焦。它的符号是“J”。

詹姆斯·焦耳

焦耳因英国科学家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）得名。焦耳出身于工业名城曼彻斯特。他的父亲继承家族生意，制作啤酒并经营一个酒馆，家道殷实。焦耳年轻的时候身体不好，父亲就安排他在家自学，后来又到附近的一个家庭学校学习。焦耳16岁时有幸跟随著名科学家约翰·道尔顿（John Dalton，1766—1844）学习，很快就迷上科学技术，特别是电学。有一次他哄得家中的女工帮他做实验，把那女工电得当场昏了过去。

英国化学家约翰·道尔顿，提出了关于原子论以及原子量计算的见解

1835年，焦耳进入曼彻斯特大学读书，在大学期间就发表了一篇学术论文。他毕业后回家经营家族的生意，业余时间做科研。1840年，他做了一个实验：把一个环形的金属线圈放在装了水的容器中（这和一些老式的电水壶很相似），一面调节电流的大小，一面测量水的温度，从而得到了著名的焦耳定律：

其中，Q为热能，单位就是焦耳（J）；I是电流，单位是安培（A）；R是电阻，单位是欧姆（Ω）；t是时间，单位是秒（s）。焦耳满怀高兴地在英国皇家学会上宣读了自己的论文，但得到的反响却十分冷淡。这首先是因为22岁的焦耳只是个业余科学家，人们没有把他论文当作一回事。另外，人们也未能了解焦耳定律的重要。当时，力学、热力学、电磁学各成一体，互不相干。焦耳定律貌似简单，但却把热力学与电磁学联系在一起。这是世界首创。

焦耳的机械和热能转换装置

1847年，焦耳做了一个新的实验。这次他把一个带叶片的转轴放在装了水的容器中，并用一个下坠的重物驱动转轴旋转，然后测量水的温度。转轴的叶片搅动容器中的水，因此把机械能转换成了热能。这一实验证明了力学和热力学之间的转换。当他再次在英国皇家学会宣读他的论文时，人们开始认识到能量转换的重要性。但也有人质疑焦耳的测量结果，转轴旋转所产生的能量有限，水温升高不大，难以准确测量。焦耳声称他的测量精度可达二百分之一度（℉），这个精度难以置信。实际上焦耳一直在啤酒厂工作，要保证啤酒的质量，需要精确测量温度。他还有一位好朋友是制作测量仪器的专家。但要达到二百分之一度的精度确实很难。

威廉·汤姆森，爱尔兰的数学物理学家、工程师，被称为热力学之父。

这一年，焦耳与阿米莉娅·葛莱姆丝（Amelia Grimes）成亲。在度蜜月时，焦耳偶遇威廉·汤姆森（William Thompson，1824—1907），即开尔文勋爵。两人讨论起能量转换，马上去附近的一个瀑布做了一个实验，想看看瀑布中水的动能是不是会增加水的温度。不过瀑布的环境太复杂，实验没有什么结果。焦耳和开尔文勋爵继续合作了数年，发现了焦耳¾汤普森效应：压缩气体在快速降低压力时气体的温度会迅速下降。我们今天用的空调机用的就是这一效应。此外，这个效应还证明了分子运动产生热，是热力学的基础理论。

1850年，焦耳入选皇家学会院士，不久他卖掉了他的啤酒厂，专注于科学研究。这一年他发表另一篇重要文章，其中讲述了热功当量（Mechanical Equivalent of Heat）：要产生使1磅水增加1华氏度的热量，需要耗费772磅重物下降1英尺的机械功。在后来的数十年中，他用大量的时间做实验，直到1878年还有测量结果的报告，最后测得的结果是772.55磅。

焦耳的工作为能量守恒的科学思想奠定了基础：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失；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，而且能量的总量保持不变。这就是我们今天说的热力学第一定律。

焦耳生性谦虚，生活简朴。1854年，焦耳的妻子不幸早逝。他也没有再婚。他把家族生意卖掉后得到的钱都用到研究上，几乎变得生活拮据。1875年，他得到英国皇室的每年2百英镑的专门年薪，才得以衣食无忧。到了晚年，他的身体越来越差。1889年，他在家中安然逝世，终年71岁。同年，国际电气议会（International Electrical Congress）在巴黎开会，确定把“焦耳”定义为能量的单位。但是焦耳已经不知道了。焦耳的墓碑的碑首刻着热功当量的数字：772.55。

热功当量J = 427千克力·米/千卡 = 4.1840焦耳/卡。

焦耳的墓碑

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