闪电的驯服者：电学的历史
James Joule Biography: The Beer Brewer Who Changed The World

01 詹姆斯·焦耳

一、简介

大多数听说过詹姆斯·普莱斯考特·焦耳的人都知道焦耳定律、他的桨轮实验，为纪念他的科学贡献，能量的单位命名为焦耳。那么谁是詹姆斯·焦耳？他如何获得相应的发现的？又为何被公众接受或者抛弃？他与威廉·汤姆森的友谊是怎么样？这位汤姆森后来被封为勋爵，开尔文勋爵并和温度有关系。

▲ 图1.1.1 焦耳简介

二、焦耳早期发展

詹姆斯·普莱斯考特· 焦耳在1818年圣诞节前一天出生，地点是在英格兰索尔福德，靠近曼切斯特。詹姆斯的爷爷是威廉·焦耳，建立了一个深受欢迎的啤酒厂，称为焦耳啤酒。爷爷去时候由其爸爸继续经验。詹姆斯由于脊柱发育不全不能够上学，但这个毛病被没有阻碍他玩划船、骑马，玩电子小把戏，包括富兰克林雷电风筝实验，出于好玩他们也重复相同实验。

在1834年焦耳的哥哥由现在著名的化学家，约翰·达尔顿辅导学习。达尔顿提出了化学中流行原子的观点。当焦耳18岁的时候，焦耳在啤酒厂工作，一个星期工作七天，从早上九点钟一直干到晚上六点钟。如此劳累的工作他还能够挤出时间在他父亲的房间里鼓捣他的实验。也在这个时期，焦耳学到了电动机并有所启发。

▲ 图1.2.1 焦耳工作的房子

三、电机设计

做过鞋匠的退伍兵威廉·斯特金在1826年发明了电磁铁，斯特金在发表他的工作过程中遇到了麻烦，他于是开办自己的电气杂志。在1836年10月司徒金第一次发行杂志，斯特金描叙了他使用电磁铁制作的第一个电动机，他认为自己的电动机可以用于抽水、驱动四轮货车、火车车厢等。那个时期这些设备往往使用大规模的蒸汽机来驱动。

回头来看，那个时候的斯特金对于自己的电机功能实在是夸大其词了。他的电机只能旋转，体积与蒸汽机差不多。这个文章激发了包括焦耳在内的英国人都去尝试开发自己的电动机。

▲ 图1.1.2 司徒金的电动机

第二年斯特金发表了俄裔德国人，莫里茨·雅克比设计的文章，他设计了比斯特金更好的电动机，这是他设计方案的第一次公开发表。雅克比不仅仅设计了当时世界上最好的电动机，他也发表了关于欧姆定理的文章，将欧姆定律通过简单明了的方式进行讲解。后来斯特金将该文章也翻译成英文。

▲ 图1.3.2 莫里茨·雅克比

这是当时焦耳所学习到的相关知识，于是应用这些思想设计自己的电动机。在他19岁时，1836年的2月份在斯特金杂志上发表了电机的设计。一开始焦耳认为他所设计的电机应该非常强大，运转非常快。声称毫不怀疑将来电磁电动机将会取代蒸汽来驱动机器。

四、精确测量电流

焦耳于设计了很多系统，但很快就失去了信心，他设计的电动机既不够强大也不够快速。他于是认为他需要一个可以测量电流的设备，也被称为电流计。要求精度高，并可以进行单位校正。因为之前所有的电流测量系统都无法进行校正。通过这个设计，使得焦耳懂得可以利用法拉第新的电解定律，使用测量电解出来的氢气数量来标定电流的大小。通过这种精确测量电流的方法，焦耳对电流所产生的热量进行测量。到了1840年他确定导线所产生的的热量与导线的电阻乘以电流的平方成正比。这个方程被称为焦耳方程，如今仍然被使用。

▲ 图1.1.3 焦耳设计的电流计

焦耳于是做了更多的与热量相关的实验。认识到他通过电池所获得的化学能量与电线电加热所产生的的热量相同。于是他确定热量并不是不可消除的卡路里，这个理论在当时被很多人承认。热量可以通过做功产生，或者用来做功。

到了1843年8月焦耳想说服所有的人相信，无论机械力如何增加，会获得同样的热量。焦耳所描述的热量如何进行转换，后来被最终称为热力学定律。 Thermo 代表热量；Dynamic代表运动。由于焦耳给出的结果非常精确，很多科学家对此怀疑。

▲ 图1.4.2 焦耳的论文

他也推广原子的概念，说热量反映了分子的运动，这些在当时看来非常可笑。另外他仅仅是一个啤酒酿造师，没人愿意听他的。焦耳并没有退缩，他还继续面向各种对此不感兴趣的团体讲解给出关于能量守恒的概念。

五、桨轮实验

在1845年六月份，他开展了最著名的桨轮实验。实验中，他将重物从高处放下，带动桨轮转动从而加热水温，他可以找到现在所说的势能与水温变化之间的关系。由此他发现817磅，一英尺高的重物，可以将一磅水的温度升高一华氏度，这大约等于现在单位对应的4400焦耳每卡路里。此外他在1849年做了更精确的实验，实验结果是， 772.692磅对应4160焦耳每卡路里。

▲ 图1.1.4 焦耳的短桨实验

不管怎样，在1847年六月23日，焦耳在对英国科学发展协会做了一次讲座，当时23岁苏格兰科学家威廉·汤姆森听了这次讲座。一年后汤姆森回忆当时听讲座开始的时候，他感觉自己将要马上站起来反对说，这讲座内容肯定是错的。因为这与法国科学家萨迪·卡诺的著作相违背。随着深入听讲，他觉得焦耳至少一部分讲座内容包含着伟大的真理和伟大的发现。讲座之后他俩相见很快就建立了持续一生的友谊。

这场友谊也影响到他们家庭生活。讲座一周后，詹姆斯·焦耳和一位名叫阿米莉亚·格兰姆斯女孩结婚了。正在两人蜜月期间，汤姆森碰巧遇到他们，要求进行科学实验。这可是科学实验，并不是度蜜月。

▲ 图1.5.2 焦耳与汤姆森

六、能量守恒

这段友谊非常重要。因为一年后汤姆森在发表萨迪·卡诺理论并得到绝对零度的概念之后立即成为世界闻名的科学家，他得到的绝对零度为-273摄氏度。这就是为什么温度单位用他的爵位名称命名为卡尔文。他是在1892年被授予开尔文勋爵爵位。

在这篇文章中，汤姆森将不可消灭的热量的概念被几乎所有人都承认，除了焦尔先生之外。他关于这个主题作出了令人瞩目的发现。

在德国一位27岁年轻的中学教师，鲁道夫·克劳修斯读了汤姆森的论文，后来包括焦耳以及其他相关论文，几乎所有的概念对他都有启发，除了热量不可消灭之外，反而克劳修斯认为热量是一种能量形式。是能量不可被消灭。获得能量守恒的规律部分得益于焦耳的研究成果。

▲ 图1.6.1 克劳修斯关于能量守恒的观点

汤姆森非常憎恨克劳修斯的论文，不仅他们通过发表论文相互论战。补充说明，是汤姆森改变人们关于热量的看法，连续发表了五篇关于热动力学理论的文章，利用焦耳的研究结果列出新的数学公式以及理论，说明能量守恒以及热量动力学规律。

七、生活中的不幸

这也许是焦耳人生中最快乐的时光，他的观点得到了科学界的承认。随着他与阿米莉亚的两个孩子出生，婚姻也越发稳固。本杰明·焦耳出生在1850年。爱丽丝·焦耳出生在1852年。但这一切到了1854年都发生了巨大的改变，那一年阿米莉亚在生第三个孩子的时候遇到了麻烦，孩子20天后就夭折了。 1854年七月，焦耳给汤姆森的信中写道这件悲痛的事情。但她妻子的身体状况也拉响了警报，产后一直没有很好的恢复。两个月后也不幸去世了。

▲ 图1.7.1 晚年时期的焦耳

焦耳伤心欲绝，也退出了他的科学研究工作。带着孩子回到了父亲的房间。在家人的陪伴和支持下，焦耳逐渐恢复并重新燃起科学工作的兴趣。但在1845年汤姆森写信建议焦耳继续关于电动力学以及流体力学方面的研究。但他已经是今非昔比了。

八、温度单位

焦耳开始引起研究成果获得很多奖项，并授予了名誉博士学位。 1863年他加入了英国电气标准委员会，帮助汤姆森以及其他人对电流单位起名并进行标准化，包括电荷、电压以及电阻。

到了1867年，一个报告声称一个最重要的实验是焦耳做的。在1882年英国科学发展协会主席建议能量单位使用焦耳，是为纪念詹姆斯·焦耳。这个单位一直使用到现在。

詹姆斯·焦耳在七年后去世，享年70岁。在他的墓碑上刻着一个数字，772.55。这个数字是最后测量的数值，反映了多少磅钟的重物下降一英尺可以获得一磅重的水升高1华氏度的温度。

▲ 图1.7.2 焦耳的墓碑

■ 相关文献链接:

闪电的驯服者：电学的历史
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● 相关图表链接:

图1.1.1 焦耳简介
图1.2.1 焦耳工作的房子
图1.1.2 司徒金的电动机
图1.3.2 莫里茨·雅克比
图1.1.3 焦耳设计的电流计
图1.4.2 焦耳的论文
图1.1.4 焦耳的短桨实验
图1.5.2 焦耳与汤姆森
图1.6.1 克劳修斯关于能量守恒的观点
图1.7.1 晚年时期的焦耳
图1.7.2 焦耳的墓碑

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