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【專家解說】：焦耳 十八世紀(jì)，人們對熱的本質(zhì)的研究走上了一條彎路，“熱質(zhì)說”在物理學(xué)史上統(tǒng)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)生過懷疑，但人們一直沒有辦法解決熱和功的關(guān)系的問題，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題指出了道路。 焦耳1818年12月24日生于英國曼徹斯特，他的父親是一個釀酒廠主。焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動，沒有受過正規(guī)的教育。青年時期，在別人的介紹下，焦耳認(rèn)識了著名的化學(xué)家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導(dǎo)。焦耳向他虛心學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)，這些知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎(chǔ)。而且道爾頓教誨了焦耳理論與實踐相結(jié)合的科研方法，激發(fā)了焦耳對化學(xué)和物理的興趣。 焦耳最初的研究方向是電磁機(jī)，他想將父親的釀酒廠中應(yīng)用的蒸汽機(jī)替換成電磁機(jī)以提高工作效率。1837年，焦耳裝成了用電池驅(qū)動的電磁機(jī)，但由于支持電磁機(jī)工作的電流來自鋅電池，而鋅的價格昂貴，用電磁機(jī)反而不如用蒸汽機(jī)合算。焦耳的最初目的雖然沒有達(dá)到，但他從實驗中發(fā)現(xiàn)電流可以做功，這激發(fā)了他進(jìn)行深入研究的興趣。 1840年，焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內(nèi)，測量不同電流強(qiáng)度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)體在一定時間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流強(qiáng)度的平方之積成正比。四年之后，俄國物理學(xué)家楞次公布了他的大量實驗結(jié)果，從而進(jìn)一步驗證了焦耳關(guān)于電流熱效應(yīng)之結(jié)論的正確性。因此，該定律稱為焦耳—楞次定律。 焦耳總結(jié)出焦耳—楞次定律以后，進(jìn)一步設(shè)想電池電流產(chǎn)生的熱與電磁機(jī)的感生電流產(chǎn)生的熱在本質(zhì)上應(yīng)該是一致的。1843年，焦耳設(shè)計了一個新實驗。將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高只是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果，整個過程不存在熱質(zhì)的轉(zhuǎn)移。這一實驗結(jié)果完全否定了熱質(zhì)說。 上述實驗也使焦耳想到了機(jī)械功與熱的聯(lián)系，經(jīng)過反復(fù)的實驗、測量，焦耳終于測出了熱功當(dāng)量，但結(jié)果并不精確。1843年8月21日在英國學(xué)術(shù)會上，焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》，他在報告中說1千卡的熱量相當(dāng)于460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強(qiáng)烈的反響，這時他意識到自己還需要進(jìn)行更精確的實驗。 1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化，他在這方面取得了許多成就。通過對氣體分子運(yùn)動速度與溫度的關(guān)系的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運(yùn)動速度值，從理論上奠定了波義耳—馬略特和蓋—呂薩克定律的基礎(chǔ)，并解釋了氣體對器壁壓力的實質(zhì)。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學(xué)家威廉·湯姆生（后來受封為開爾文勛爵）共同完成的。在焦耳發(fā)表的九十七篇科學(xué)論文中有二十篇是他們的合作成果。當(dāng)自由擴(kuò)散氣體從高壓容器進(jìn)入低壓容器時，大多數(shù)氣體和空氣的溫度都要下降，這一現(xiàn)象就是兩人共同發(fā)現(xiàn)的。這一現(xiàn)象后來被稱為焦耳—湯姆生效應(yīng)。 無論是在實驗方面，還是在理論上，焦耳都是從分子動力學(xué)的立場出發(fā)進(jìn)行深入研究的先驅(qū)者之一。 在從事這些研究的同時，焦耳并沒有間斷對熱功當(dāng)量的測量。1847年，焦耳做了迄今認(rèn)為是設(shè)計思想最巧妙的實驗：他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉(zhuǎn)軸，然后讓下降重物帶動葉片旋轉(zhuǎn)，由于葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。根據(jù)重物下落的高度，可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功；根據(jù)量熱器內(nèi)水的升高的溫度，就可以計算水的內(nèi)能的升高值。把兩數(shù)進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的準(zhǔn)確值來。 焦耳還用鯨魚油代替水來作實驗，測得了熱功當(dāng)量的平均值為423.9千克米/千卡。接著又用水銀來代替水，不斷改進(jìn)實驗方法，直到1878年，這時距他開始進(jìn)行這一工作將近四十年了，他已前后用各種方法進(jìn)行了四百多次的實驗。他在1849年用磨擦使水變熱的方法所得的結(jié)果跟1878年的是相同的，即為423.9千克重米/千卡。一個重要的物理常數(shù)的測定，能保持三十年而不作較大的更正，這在物理學(xué)史上也是極為罕見的事。這個值當(dāng)時被大家公認(rèn)為熱功當(dāng)量J的值，它比現(xiàn)在J的公認(rèn)值 ——427千克米/千卡約小0.7%。在當(dāng)時的條件下，能做出這樣精確的實驗來，說明焦耳的實驗技能是多么的高超?。? 然而，當(dāng)焦耳在1847年的英國科學(xué)學(xué)會的會議上再次公布自己的研究成果時，他還是沒有得到支持，很多科學(xué)家都懷疑他的結(jié)論，認(rèn)為各種形式的能之間的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化定律，他們的結(jié)論和焦耳相同，這時焦耳的工作才得到承認(rèn)。 1850年，焦耳憑借他在物理學(xué)上作出的重要貢獻(xiàn)成為英國皇家學(xué)會會員。當(dāng)時他三十二歲。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)。雖然焦耳不斷進(jìn)行著他的實驗測量工作，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，過早地就減少了。1875年，英國科學(xué)協(xié)會委托他更精確地測量熱功當(dāng)量。他得到的結(jié)果是4.15，非常接近目前采用的值1卡＝4.184焦耳。1875年，焦耳的經(jīng)濟(jì)狀況大不如前。這位曾經(jīng)富有過但卻沒有一定職位的人發(fā)現(xiàn)自己在經(jīng)濟(jì)上處于困境，幸而他的朋友幫他弄到一筆每年200英鎊的養(yǎng)老金，使他得以維持中等但舒適的生活。五十五歲時，他的健康狀況惡化，研究工作減慢了。1878年當(dāng)他六十歲時，焦耳發(fā)表了他的最后一篇論文。1878年，焦耳退休。 焦耳活到了七十一歲。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。后人為了紀(jì)念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。 在去世前兩年，焦耳對他的弟弟的說，“我一生只做了兩三件事，沒有什么值得炫耀的。”相信對于大多數(shù)物理學(xué)家，他們只要能夠做到這些小事中的一件也就會很滿意了。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(jì)念碑，并以他的名字命名能量單位，他將會感到驚奇的，雖然后人決不會感到驚奇。 邁爾 　　邁爾（Julius　Robert　Mayer，1814～1878）德國醫(yī)生，物理學(xué)家，熱力學(xué)的先驅(qū)，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者之一。邁爾1814年11月25日生于符騰堡的海爾布隆。曾就學(xué)于蒂賓根大學(xué)醫(yī)學(xué)系，1838年獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后在巴黎行醫(yī)。 　　18世紀(jì)末19世紀(jì)前半葉，自然科學(xué)上完成的一系列重大發(fā)現(xiàn)，廣泛地揭示出自然界的各種運(yùn)動之間的普遍聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，使得這一時期的科學(xué)家們力圖在“自然力的統(tǒng)一”的哲學(xué)思想指導(dǎo)下來研究各種運(yùn)動。而且由于工業(yè)革命伴隨生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了物質(zhì)條件。在這種背景下，從1837年開始的10年內(nèi)，西歐的四、五個國家，從事七、八種專業(yè)的10多位科學(xué)家分別通過不同的途徑各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。其中最突出的是邁爾、焦耳和亥姆霍茲三人。邁爾作為一個醫(yī)生，受當(dāng)時自然科學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的影響，在自然哲學(xué)思想的指導(dǎo)下，從動物的新陳代謝活動和能量的關(guān)系開始研究能量守恒定律。1840年2月到1841年2月，邁爾作為船醫(yī)遠(yuǎn)航到印度尼西亞。在航行中他從考察人體消耗食物化學(xué)能與熱能的等價性受到啟發(fā)，去探索熱和機(jī)械功的關(guān)系。航行結(jié)束后，他將自己的發(fā)現(xiàn)寫成《論力的量和質(zhì)的測定》一文，文中指出“力”（即能）是自然界運(yùn)動變化的原因，而因等于果，所以“力”在量上是不滅的，只是質(zhì)（即形式）發(fā)生變化。由于他的觀點新穎又缺少精確的實驗論證，不易被人接受，并且存在用質(zhì)量和速度的積來表示“運(yùn)動力”（即動能）的缺陷，論文沒能發(fā)表（直到1881年他逝世后才發(fā)表）。邁爾很快覺察到了這篇論文的缺陷，并且發(fā)奮進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。在此基礎(chǔ)上于1842年發(fā)表了《論無機(jī)性質(zhì)的力》的論文。他從“無不生有，有不變無”和“原因等于結(jié)果”的觀念出發(fā)，表述了物理、化學(xué)過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。論證了“力（能）是不可滅的、可轉(zhuǎn)化的、無重量的客體”。他指出，落體力（重力勢能）可轉(zhuǎn)化為運(yùn)動，運(yùn)動一消失就轉(zhuǎn)化為熱，而蒸汽機(jī)則把熱轉(zhuǎn)化為功。他利用比定壓熱容與比定容熱容之差計算出了不同力（能）之間的當(dāng)量關(guān)系，他的熱功當(dāng)量的計算方法實際上就是公式，因而稱之為邁爾公式。由上可見，邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量的人。但1842年發(fā)表的這篇科學(xué)杰作當(dāng)時未受到重視。以后焦耳、亥姆霍茲等人又各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。 　　1845年邁爾自費出版了《論有機(jī)體的運(yùn)動與物質(zhì)代謝關(guān)系》的論文，進(jìn)一步地發(fā)展了他的學(xué)說。他首先肯定，力（能）的轉(zhuǎn)化與守恒定律是支配宇宙的普遍規(guī)律。然后具體地考察了幾種不同形式的力（能），運(yùn)動力（動能）、落體力（重力勢能）熱、磁和電、化學(xué)力（某些物質(zhì)的化合與分解）的相互轉(zhuǎn)化，并把他所考察的全部力（能）畫成一個表，描繪了能量相互轉(zhuǎn)化的25種情況。從這個表作出了否認(rèn)熱質(zhì)和其他無重量的流質(zhì)的結(jié)論。文章第二部分指出太陽能是地球上能量的來源，并論證了有機(jī)界和無機(jī)界力（能）的統(tǒng)一性；植物吸收了太陽能，把它轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。動物攝取植物，通過氧化把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱和機(jī)械能。肌肉只是轉(zhuǎn)化能量的工具，它本身在運(yùn)動中并沒有消耗。所以邁爾也是第一個把能量轉(zhuǎn)化概念應(yīng)用于生物學(xué)現(xiàn)象的人，是生物物理學(xué)的先驅(qū)。他還用類比方法分析了人體肌肉活動，指出運(yùn)動神經(jīng)猶如輪船中的舵手，起著控制的作用；新陳代謝提供了能量，猶如輪船中煤的燃燒。這接近于生物學(xué)研究中控制論思想的萌芽?？上н@篇論文當(dāng)時并未得到科學(xué)界的重視。 　　1848年邁爾又出版了《通俗天體力學(xué)》一書，將他的熱功理論運(yùn)用到宇宙，討論了宇宙中的能量循環(huán)，解釋了隕石發(fā)光是由于它們在大氣中損失了動能，并運(yùn)用能量守恒定律解釋了潮汐的漲落。 　　邁爾注重科學(xué)以理服人。馬赫回憶說：有一次在海德爾堡和邁爾倉促相遇時，約利稍帶嘲諷地說，如果邁爾的理論是正確的話，水就能夠被晃動而加熱。邁爾沒有答一句話就走了。幾個星期以后，……他跑到約利那里喊道：‘正是那樣！正是那樣！’只有在經(jīng)過很多的說明以后，約利才明白邁爾說話的意思?！? 　　邁爾一生屢遭挫折。他從行醫(yī)開始轉(zhuǎn)而研究物理學(xué)，通過無數(shù)的艱辛取得的杰出成果，卻長期被埋沒，得不到應(yīng)有的承認(rèn)，甚至受到粗暴的、侮辱性的攻擊。這使他精神上受到很大刺激，加上1846～1848年間他的3個孩子相繼夭亡，他于1849年5月28日跳樓自殺，幸免于死?？祻?fù)后成了一個跛子，留下終生殘疾。但他仍以頑強(qiáng)的精神堅持能量守恒問題的研究，于1851年出版了《論熱的機(jī)械當(dāng)量》一書，詳細(xì)地總結(jié)了他的工作，并且很有分寸地保護(hù)自己發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的優(yōu)先權(quán)：“我深信焦耳發(fā)現(xiàn)了熱和力。但并不知道我的發(fā)現(xiàn)；我承認(rèn)，這位著名物理學(xué)家貢獻(xiàn)很多，令我非常尊敬；但我仍然認(rèn)為我有充分理由重申，熱能和動力的當(dāng)量定律及其數(shù)量表述是我首先宣布的（1842年）。” 　　七、八年后邁爾的科學(xué)成就逐漸為社會公認(rèn)。1858年瑞士巴塞爾自然科學(xué)院接受他為榮譽(yù)院士。1871年他晚于焦耳一年獲得英國皇家學(xué)會的科普利獎?wù)隆Ｒ院笏€獲得蒂賓根大學(xué)的榮譽(yù)哲學(xué)博士、巴伐利亞和意大利都靈科學(xué)院院士等稱號。恩格斯在《自然辯證》中高度評價了邁爾的工作：“運(yùn)動的量的不變性已經(jīng)被笛卡兒指出了，……而運(yùn)動形式的轉(zhuǎn)化卻直到1842年才被發(fā)現(xiàn)，而且新的東西正是這一點，而不是量方面不變的定律?！倍鞲袼顾傅?842年的發(fā)現(xiàn)即是邁爾的工作。 　　1878年3月20日邁爾因右臂結(jié)核感染在海爾布逝世。