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【专家解说】：焦耳 十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路，“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑，但人们一直没有办法解决热和功的关系的问题，是英国自学成才的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳为最终解决这一问题指出了道路。 焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特，他的父亲是一个酿酒厂主。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。焦耳向他虚心学习了数学、哲学和化学，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教诲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。 焦耳最初的研究方向是电磁机，他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电磁机以提高工作效率。1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，但由于支持电磁机工作的电流来自锌电池，而锌的价格昂贵，用电磁机反而不如用蒸汽机合算。焦耳的最初目的虽然没有达到，但他从实验中发现电流可以做功，这激发了他进行深入研究的兴趣。 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。通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此，该定律称为焦耳—楞次定律。 焦耳总结出焦耳—楞次定律以后，进一步设想电池电流产生的热与电磁机的感生电流产生的热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。 上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，焦耳终于测出了热功当量，但结果并不精确。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。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉·汤姆生（后来受封为开尔文勋爵）共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。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，这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被称为焦耳—汤姆生效应。 无论是在实验方面，还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的立场出发进行深入研究的先驱者之一。 在从事这些研究的同时，焦耳并没有间断对热功当量的测量。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423.9千克米/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。他在1849年用磨擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克重米/千卡。一个重要的物理常数的测定，能保持三十年而不作较大的更正，这在物理学史上也是极为罕见的事。这个值当时被大家公认为热功当量J的值，它比现在J的公认值 ——427千克米/千卡约小0.7%。在当时的条件下，能做出这样精确的实验来，说明焦耳的实验技能是多么的高超啊！ 然而，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。虽然焦耳不断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4.15，非常接近目前采用的值1卡＝4.184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。1878年，焦耳退休。 焦耳活到了七十一岁。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。后人为了纪念焦耳，把功和能的单位定为焦耳。 在去世前两年，焦耳对他的弟弟的说，“我一生只做了两三件事，没有什么值得炫耀的。”相信对于大多数物理学家，他们只要能够做到这些小事中的一件也就会很满意了。焦耳的谦虚是非常真诚的。很可能，如果他知道了在威斯敏斯特教堂为他建造了纪念碑，并以他的名字命名能量单位，他将会感到惊奇的，虽然后人决不会感到惊奇。 迈尔 　　迈尔（Julius　Robert　Mayer，1814～1878）德国医生，物理学家，热力学的先驱，能量守恒定律的发现者之一。迈尔1814年11月25日生于符腾堡的海尔布隆。曾就学于蒂宾根大学医学系，1838年获医学博士学位，毕业后在巴黎行医。 　　18世纪末19世纪前半叶，自然科学上完成的一系列重大发现，广泛地揭示出自然界的各种运动之间的普遍联系和转化，使得这一时期的科学家们力图在“自然力的统一”的哲学思想指导下来研究各种运动。而且由于工业革命伴随生产技术的进步和发展，为能量守恒定律的发现创造了物质条件。在这种背景下，从1837年开始的10年内，西欧的四、五个国家，从事七、八种专业的10多位科学家分别通过不同的途径各自独立地发现了能量守恒定律。其中最突出的是迈尔、焦耳和亥姆霍兹三人。迈尔作为一个医生，受当时自然科学和生产技术发展的影响，在自然哲学思想的指导下，从动物的新陈代谢活动和能量的关系开始研究能量守恒定律。1840年2月到1841年2月，迈尔作为船医远航到印度尼西亚。在航行中他从考察人体消耗食物化学能与热能的等价性受到启发，去探索热和机械功的关系。航行结束后，他将自己的发现写成《论力的量和质的测定》一文，文中指出“力”（即能）是自然界运动变化的原因，而因等于果，所以“力”在量上是不灭的，只是质（即形式）发生变化。由于他的观点新颖又缺少精确的实验论证，不易被人接受，并且存在用质量和速度的积来表示“运动力”（即动能）的缺陷，论文没能发表（直到1881年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。在此基础上于1842年发表了《论无机性质的力》的论文。他从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的观念出发，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。论证了“力（能）是不可灭的、可转化的、无重量的客体”。他指出，落体力（重力势能）可转化为运动，运动一消失就转化为热，而蒸汽机则把热转化为功。他利用比定压热容与比定容热容之差计算出了不同力（能）之间的当量关系，他的热功当量的计算方法实际上就是公式，因而称之为迈尔公式。由上可见，迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但1842年发表的这篇科学杰作当时未受到重视。以后焦耳、亥姆霍兹等人又各自独立地发现了能量守恒定律。 　　1845年迈尔自费出版了《论有机体的运动与物质代谢关系》的论文，进一步地发展了他的学说。他首先肯定，力（能）的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。然后具体地考察了几种不同形式的力（能），运动力（动能）、落体力（重力势能）热、磁和电、化学力（某些物质的化合与分解）的相互转化，并把他所考察的全部力（能）画成一个表，描绘了能量相互转化的25种情况。从这个表作出了否认热质和其他无重量的流质的结论。文章第二部分指出太阳能是地球上能量的来源，并论证了有机界和无机界力（能）的统一性；植物吸收了太阳能，把它转化为化学能。动物摄取植物，通过氧化把化学能转化为热和机械能。肌肉只是转化能量的工具，它本身在运动中并没有消耗。所以迈尔也是第一个把能量转化概念应用于生物学现象的人，是生物物理学的先驱。他还用类比方法分析了人体肌肉活动，指出运动神经犹如轮船中的舵手，起着控制的作用；新陈代谢提供了能量，犹如轮船中煤的燃烧。这接近于生物学研究中控制论思想的萌芽。可惜这篇论文当时并未得到科学界的重视。 　　1848年迈尔又出版了《通俗天体力学》一书，将他的热功理论运用到宇宙，讨论了宇宙中的能量循环，解释了陨石发光是由于它们在大气中损失了动能，并运用能量守恒定律解释了潮汐的涨落。 　　迈尔注重科学以理服人。马赫回忆说：有一次在海德尔堡和迈尔仓促相遇时，约利稍带嘲讽地说，如果迈尔的理论是正确的话，水就能够被晃动而加热。迈尔没有答一句话就走了。几个星期以后，……他跑到约利那里喊道：‘正是那样！正是那样！’只有在经过很多的说明以后，约利才明白迈尔说话的意思。” 　　迈尔一生屡遭挫折。他从行医开始转而研究物理学，通过无数的艰辛取得的杰出成果，却长期被埋没，得不到应有的承认，甚至受到粗暴的、侮辱性的攻击。这使他精神上受到很大刺激，加上1846～1848年间他的3个孩子相继夭亡，他于1849年5月28日跳楼自杀，幸免于死。康复后成了一个跛子，留下终生残疾。但他仍以顽强的精神坚持能量守恒问题的研究，于1851年出版了《论热的机械当量》一书，详细地总结了他的工作，并且很有分寸地保护自己发现能量守恒定律的优先权：“我深信焦耳发现了热和力。但并不知道我的发现；我承认，这位著名物理学家贡献很多，令我非常尊敬；但我仍然认为我有充分理由重申，热能和动力的当量定律及其数量表述是我首先宣布的（1842年）。” 　　七、八年后迈尔的科学成就逐渐为社会公认。1858年瑞士巴塞尔自然科学院接受他为荣誉院士。1871年他晚于焦耳一年获得英国皇家学会的科普利奖章。以后他还获得蒂宾根大学的荣誉哲学博士、巴伐利亚和意大利都灵科学院院士等称号。恩格斯在《自然辩证》中高度评价了迈尔的工作：“运动的量的不变性已经被笛卡儿指出了，……而运动形式的转化却直到1842年才被发现，而且新的东西正是这一点，而不是量方面不变的定律。”恩格斯所指的1842年的发现即是迈尔的工作。 　　1878年3月20日迈尔因右臂结核感染在海尔布逝世。