物理学家——焦耳

在18世纪，人们在研究热的本质时绕道而行。热量理论统治物理学史超过100年。虽然一些科学家曾经怀疑这个错误的理论，但是人们还没有能够解决热和功之间的关系问题。是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳指出了最终解决这个问题的方法。

焦耳于1818年12月24日出生在英国曼彻斯特。他的父亲是酿酒厂的老板。焦耳从小就和父亲一起酿酒，没有受过正规教育。在年轻时，在他人的介绍下，焦耳结识了著名的化学家道尔顿。道尔顿给焦耳一个热情的教学。焦耳虚心向他学习数学、哲学和化学，这为焦耳后来的研究奠定了理论基础。此外，道尔顿教授焦耳理论与实践相结合的科学研究方法，激发了焦耳对化学和物理的兴趣。

焦耳最初的研究方向是电磁机器。为了提高工作效率，他想用电磁机器取代他父亲酿酒厂使用的蒸汽机。1837年，焦耳作为电池驱动的电磁机器被安装。然而，由于支持电磁机器工作的电流来自锌电池，并且锌是昂贵的，所以使用电磁机器不如使用蒸汽机划算。尽管焦耳最初的目的没有达到，但他发现电流可以通过实验做功，这激发了他对进一步研究的兴趣。

1840年，焦耳将环形线圈放入一个装满水的试管中，测量不同电流强度和电阻下的水温。通过这个实验，他发现导体在一定时间内释放的热量与导体电阻和电流强度的平方成正比。四年后，俄罗斯物理学家冷茨公布了他的大量实验结果。

因此，焦耳关于电流热效应的结论得到了进一步的验证。因此，这个定律被称为焦耳-伦兹定律。

在焦耳总结了焦耳-伦兹定律后，进一步假设电池电流产生的热量和电磁机感应电流产生的热量在本质上应该是一致的。1843年，焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈缠绕在铁芯上，用电流计测量感应电流，将线圈放在装满水的容器中，测量水温以计算热量。该电路完全闭合，并且没有外部电源。水温的上升只是机械能转化为电能，电能转化为热能的结果。整个过程中没有热质传递。这个实验的结果完全否定了热量理论。

上述实验也让焦耳想到了机械功和热之间的联系。经过反复实验和测量，焦耳最终测量了热的机械当量，但结果并不准确。1843年8月21日，在英国学术会议上，焦耳报告了他的论文“关于电磁热效应和热的机械值”。他在报告中说，1000卡路里的热量相当于460公斤的工作量。当他意识到需要进行更精确的实验时，他的报告既没有得到支持，也没有得到有力的回应。

1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩过程中的温度变化。他在这个领域取得了许多成就。通过对气体分子速度与温度关系的研究，焦耳计算了气体分子热运动的速度值，从理论上奠定了玻意耳-埃德姆·马略特定律和盖·吕萨克定律的基础，并解释了气体对壁面压力的本质。焦耳在研究过程中的许多实验都是与著名物理学家威廉·汤姆森(后来被命名为开尔文勋爵)共同完成的。