詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule，1818年12月24日—1889年10月11日），出生于曼徹斯特近郊的沙弗特，英國物理學(xué)家，英國皇家學(xué)會會員。

由于焦耳在熱學(xué)、熱力學(xué)和電方面的貢獻(xiàn)，皇家學(xué)會授予他最高榮譽(yù)的科普利獎?wù)拢–opley Medal）。后人為了紀(jì)念他，把能量或功的單位命名為“焦耳”，簡稱“焦”；并用焦耳姓氏的第一個字母“J”來標(biāo)記熱量以及“功”的物理量。

焦耳在研究熱的本質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了熱和功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并由此得到了能量守恒定律，最終發(fā)展出熱力學(xué)第一定律。國際單位制導(dǎo)出單位中，能量的單位——焦耳，就是以他的名字命名。他和開爾文合作發(fā)展了溫度的絕對尺度。他還觀測過磁致伸縮效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體電阻、通過導(dǎo)體電流及其產(chǎn)生熱能之間的關(guān)系，也就是常稱的焦耳定律。

人物經(jīng)歷

家世背景

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule），英國物理學(xué)家。1818年12月24日出生于英格蘭北部曼徹斯特近郊的沙弗特（Salford）。

他的父親本杰明·焦耳（Benjamin Joule，1784-1858）是一個富有的釀酒師（Brewing），他的母親為愛麗絲·普雷斯科特·焦耳（Alice Prescott Joule）。

焦耳出生時他們家在索爾福德的新貝利街，與他家的啤酒廠毗鄰。焦耳在年幼時因?yàn)樯眢w健康原因一直在索爾福德附近彭德爾伯里（Pendlebury）的一個家庭學(xué)校里就學(xué)。

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)，教給了他數(shù)學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)方面的知識，這些知識為焦耳后來的研究奠定了理論基礎(chǔ)。道爾頓教會了焦耳理論與實(shí)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，并在他的鼓勵下決心從事科學(xué)研究工作。

學(xué)習(xí)生涯

1834年，16歲的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會（Manchester Literary and Philosophical Society）道爾頓的門下學(xué)習(xí)。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學(xué)習(xí)了兩年算術(shù)和幾何。后來道爾頓因中風(fēng)而退休。但是跟隨道爾頓的這段經(jīng)歷影響了焦耳的一生。焦耳后來又受約翰·戴維斯（John Davies (lecturer)）指導(dǎo)。焦耳兄弟倆對電學(xué)非常著迷，曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)過相互電擊，還拿家里的仆人們做過實(shí)驗(yàn)。

焦耳在受道爾頓指導(dǎo)期間，于1835年進(jìn)入曼徹斯特大學(xué)就讀。畢業(yè)后開始參加經(jīng)營自家的啤酒廠，直到1854年賣出啤酒廠，他在經(jīng)營上都一直很活躍?？茖W(xué)開始只是焦耳的一個愛好，直到后來他開始研究用新發(fā)明的電動機(jī)來替換啤酒廠的蒸汽機(jī)的可行性。

1838年，他的第一篇關(guān)于電學(xué)的科學(xué)論文發(fā)表在《電學(xué)年鑒》（Annals of Electricity）上。這份學(xué)術(shù)期刊是由戴維斯的同事威廉·斯特金（William Sturgeon）創(chuàng)辦和主持的。

1840年，他的第一篇重要的論文被送到英國皇家學(xué)會，當(dāng)中指出電導(dǎo)體所發(fā)出的熱量與電流強(qiáng)度、導(dǎo)體電阻和通電時間的關(guān)系，即焦耳定律。本來準(zhǔn)備讓皇家學(xué)會大吃一驚的，可后來發(fā)現(xiàn)自己被僅僅當(dāng)作鄉(xiāng)下的業(yè)余愛好者。

當(dāng)斯特金在1840年搬到曼徹斯特后，他和焦耳成為了這個城市知識分子的核心。他倆同感，科學(xué)和神學(xué)應(yīng)該并且可能整合在一起。焦耳開始在斯特金的皇家維多利亞實(shí)踐科學(xué)講座（Royal Victoria Gallery of Practical Science）上開辦講座。

他后來認(rèn)識到，在蒸汽機(jī)燒1磅煤所產(chǎn)生的熱量是在革若夫電池（英語：Grove cell）（一種早期的電池）里消耗1磅鋅所發(fā)出熱量的5倍。焦耳對“經(jīng)濟(jì)負(fù)荷”（economical duty）的通常標(biāo)準(zhǔn)是，將1磅重量抬升1英尺的能力，即英尺-磅（英語：Foot-pound (energy)）。

焦耳被弗朗茲·艾皮努斯（Franz Aepinus）的想法所影響，試圖用被“振動形態(tài)的熱質(zhì)以太（calorific ether in a state of vibration）”所環(huán)繞的原子來解釋電學(xué)和磁。

然而焦耳的興趣從有關(guān)可以從給定來源提取多少功這樣的狹隘的經(jīng)濟(jì)問題開始轉(zhuǎn)向，最終到思考能量的可轉(zhuǎn)換性。

焦耳提出能量守恒與轉(zhuǎn)化定律：能量既不會憑空消失，也不會憑空產(chǎn)生，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而能的總量保持不變，奠定了熱力學(xué)第一定律（能量不滅原理）之基礎(chǔ)。

1883年他發(fā)表了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示他在1841年所定量化的熱效應(yīng)是因?yàn)閷?dǎo)體本身的發(fā)熱，而不是從裝置其他部分傳來的熱量。這個結(jié)論對當(dāng)時的熱質(zhì)說是一個直接的挑戰(zhàn)。熱質(zhì)說認(rèn)為，熱量既不能被創(chuàng)造，也不能被銷毀。自從被拉瓦錫在1783年提出后，熱質(zhì)說一直是熱學(xué)領(lǐng)域的主導(dǎo)性的理論。拉瓦錫的影響力再加上尼古拉·卡諾自1824年提出的關(guān)于熱機(jī)的熱質(zhì)理論在實(shí)踐中的成功，使得既不在學(xué)術(shù)界又不在工程界的年輕的焦耳看起來前途坎坷。熱質(zhì)說的支持者準(zhǔn)備指出，熱電效應(yīng)的對稱性說明熱能和電能是（至少大約）可以被一個可逆過程所相互轉(zhuǎn)化的。

科研生平紀(jì)年

1837年，焦耳裝成了用電池驅(qū)動的電磁機(jī)，并發(fā)表了關(guān)于這方面的論文而引起人們的注意。

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。12月焦耳在英國皇家學(xué)會上宣讀了關(guān)于電流生熱的論文，提出電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的定律。由于不久之后，俄國物理學(xué)家楞次也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了同樣的定律，該定律也稱為焦耳-楞次定律。

1843年，焦耳設(shè)計了一個新實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)結(jié)果完全否定了熱質(zhì)說。

1843年8月21日，在英國學(xué)術(shù)會上，焦耳宣讀了他的論文《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(shí)驗(yàn)。

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(shí)質(zhì)。

1852年，他們發(fā)現(xiàn)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)象后來被稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)。這個效應(yīng)在低溫和氣體液化方面有廣泛的應(yīng)用。焦耳對蒸汽機(jī)的發(fā)展也做出了不少有價值的工作。

1847年，焦耳做了迄今認(rèn)為是設(shè)計思想最巧妙的實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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，他前后用各種方法進(jìn)行了四百多次的實(shí)驗(yàn)。

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32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)。雖然焦耳不停地進(jìn)行著他的實(shí)驗(yàn)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)焦耳六十歲時，他發(fā)表了最后一篇論文。

1889年10月11日，焦耳在索福特逝世，享年71歲。

主要成就

焦耳定律的發(fā)現(xiàn)

1840年12月，他在英國皇家學(xué)會上宣讀了關(guān)于電流生熱的論文，提出電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的定律；由于不久俄國物理學(xué)家海因里?！だ愦我勃?dú)立地發(fā)現(xiàn)了同樣的定律，而被稱為焦耳-楞次定律。

用公式表示如下：Q=I^2*Rt(J)

I=通過導(dǎo)體的電流，單位（安培）：A

R=導(dǎo)體的有效電阻，單位（歐姆）：Ω

t=通電時間，單位（秒）：s

熱功當(dāng)量的測定

焦耳的主要貢獻(xiàn)是他鉆研并測定了熱和機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系。這方面研究工作的第一篇論文《關(guān)于電磁的熱效應(yīng)和熱的功值》，是在1843年英國《哲學(xué)雜志》第23卷第3輯上發(fā)表的。此后，他用不同材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管所用的方法、設(shè)備、材料各不相同，結(jié)果都相差不遠(yuǎn)；并且隨著實(shí)驗(yàn)精度的提高，趨近于一定的數(shù)值。

最后他將多年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫成論文發(fā)表在英國皇家學(xué)會《哲學(xué)學(xué)報》1850年第140卷上，其中闡明：

第一，不論固體或液體，摩擦所產(chǎn)生的熱量，總是與所耗的力的大小成比例。

第二，要產(chǎn)生使1磅水（在真空中稱量，其溫度在50～60華氏度之間）增加1華氏度的熱量，需要耗用772磅重物下降1英尺的機(jī)械功。

他精益求精，直到1878年還有測量結(jié)果的報告。

他近40年的研究工作，為熱運(yùn)動與其他運(yùn)動的相互轉(zhuǎn)換、運(yùn)動守恒等問題，提供了無可置疑的證據(jù)，焦耳因此成為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者之一。

圖冊圖片來源：

焦耳-湯姆孫效應(yīng)

1852年焦耳和w.湯姆孫（即開爾文）發(fā)現(xiàn)氣體自由膨脹時溫度下降的現(xiàn)象，被稱為焦耳-湯姆孫效應(yīng)。這效應(yīng)在低溫和氣體液化方面有廣泛應(yīng)用。他對蒸汽機(jī)的發(fā)展作了不少有價值的工作。

理論成就

理論的接納

最初對焦耳的工作的一些反對是因?yàn)樗墓ぷ饕蕾囉跇O端精確的測量。他聲稱可以將溫度的測量精確到?₂₀₀℉（3mK）以內(nèi)。這個精度在當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域是很不尋常的。不過焦耳的懷疑者可能忘了焦耳在釀酒方面的經(jīng)歷。而且他還得到測量儀器制作家約翰·本杰明·丹瑟（John Benjamin Dancer）的大力支持。

德國的赫爾曼·亥姆霍茲卻開始熟悉焦耳的工作以及尤利烏斯·羅伯特·馮·邁爾在1842的類似研究。雖然這兩人在各自發(fā)表了自己的工作后都被一直忽視，但亥姆霍茲在1847年結(jié)論性的宣布能量守恒定律時承認(rèn)了他倆的貢獻(xiàn)。

此外在1847年英國協(xié)會于牛津的會議上，焦耳也做了一個報告，當(dāng)時的聽眾中有喬治·斯托克斯、邁克爾·法拉第以及超前且獨(dú)立特行的威廉·湯姆森，也就是后來的開爾文男爵。開爾文當(dāng)時已經(jīng)被聘為格拉斯哥大學(xué)的自然哲學(xué)教授。斯托克斯是“傾向成為一個焦耳（inclined to be a Joulite）”，法拉第雖然心存懷疑但還是“被焦耳的理論所震驚（much struck with it）”。開爾文被迷住了但還是有所懷疑。

對首發(fā)的爭論

這一年的晚些時候，開爾文與焦耳又在霞慕尼不期而遇。焦耳當(dāng)時剛和阿米莉婭·葛萊姆絲（Amelia Grimes）在8月18日結(jié)婚后來到此地度蜜月。盡管焦耳還在婚禮的熱情中，他還是和開爾文安排了幾日后去測量色朗契斯（Sallanches）瀑布頂部和底部的溫度差。焦耳認(rèn)為瀑布沖下時的能量改變，會稍微增加水的熱量與溫度。但是在大自然下，還有許多其他的因素會影響水溫，所以他們沒有收獲。

雖然開爾文覺得焦耳的結(jié)果需要理論的解釋，但他還后退并為卡諾-克拉佩龍學(xué)派辯護(hù)。當(dāng)開爾文在1848年報導(dǎo)絕對溫度時，他寫到，“熱量（或者卡路里）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效應(yīng)不太可能且肯定無法證實(shí)?！钡窃谒囊粋€腳注里暗示了他的最初的對熱質(zhì)說的懷疑，他參考了焦耳的“非常讓人印象深刻的發(fā)現(xiàn)”。當(dāng)焦耳讀到開爾文的一篇文章后寫信給他，聲稱自己的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示了熱量向功的轉(zhuǎn)化，但還是在準(zhǔn)備做更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。讓人吃驚的是，開爾文沒有回寄給焦耳他自己文章的拷貝。開爾文在回信中提到，他正在準(zhǔn)備自己的實(shí)驗(yàn)，并且希望能調(diào)和兩人的觀點(diǎn)。雖然開爾文在之后的兩年里并沒有進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)，但他越來越不滿卡諾的理論，轉(zhuǎn)而相信焦耳的觀點(diǎn)。在1851的文章里，開爾文愿意做一個折中，承認(rèn)“整個熱的動能理論是基于……兩個……前提，分別是焦耳和卡諾-克拉佩龍的理論（the whole theory of the motive power of heat is founded on ... two ... propositions, due respectively to Joule, and to Carnot and Clausius）”。

當(dāng)焦耳一讀到這篇文章，他馬上寫信給開爾文談了他的評論和問題。隨后倆人通過大量的通信開始了富有成果的合作。焦耳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開爾文分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并建議進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。這個合作從1852年持續(xù)到1856年，他們的成果中包括有焦耳-湯姆孫效應(yīng)。關(guān)于這個成果的發(fā)表論文使得焦耳的研究和分子運(yùn)動論被人們廣泛接受。

分子運(yùn)動論

動力學(xué)是有關(guān)運(yùn)動的科學(xué)。焦耳是道爾頓的學(xué)生，所以不奇怪他深深信任原子理論，而盡管同時代的許多科學(xué)家還在懷疑該理論。他也是少數(shù)能夠接受當(dāng)時還在被忽視的約翰·赫帕斯的氣體的動力學(xué)理論的人之一。他后來深深的被彼得·愛華德（Peter Ewart）在1813年的一篇文章“論動力的測量（On the measure of moving force）”所影響。

焦耳察覺到了他的發(fā)現(xiàn)和熱動力學(xué)理論之間的關(guān)系。他的實(shí)驗(yàn)筆記表明，他相信熱是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而不是平移運(yùn)動的一種形式。

焦耳無法抗拒在弗蘭西斯·培根、艾薩克·牛頓爵士、約翰·洛克、倫福德伯爵和漢弗里·戴維爵士等前人那找到自己觀點(diǎn)的前例。雖然這些觀點(diǎn)都是有道理的，但焦耳還是根據(jù)倫福德發(fā)表的文章估計出一個熱功當(dāng)量值，1034ft·lbf/Btu。一些現(xiàn)代作者已經(jīng)從根本上批判了這個方法，認(rèn)為倫福德的實(shí)驗(yàn)無法代表著系統(tǒng)的定量測量。在焦耳的一篇個人筆記中，他斷言邁爾的測量并不比倫福德的更精確，可能希望邁爾沒有參加過他自己的工作。焦耳對解釋綠閃光現(xiàn)象也有所貢獻(xiàn)，他在1869年給曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會的一封信中提到這個現(xiàn)象。

獲得榮譽(yù)

1850年焦耳當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員。

1866年由于他在熱學(xué)、熱力學(xué)和電方面的貢獻(xiàn)，皇家學(xué)會授予他最高榮譽(yù)的科普利獎?wù)拢–opley Medal）。后人為了紀(jì)念他，把能量或功的單位命名為“焦耳”，簡稱“焦”；并用焦耳姓氏的第一個字母“J”來標(biāo)記熱量。

1889年10月11日，焦耳在塞爾的家中逝世，被安葬在該市的布魯克蘭（英語：Brooklands, Trafford）公墓。在他的墓碑上刻有數(shù)字“772.55”，這是他在1878年的關(guān)鍵測量中得到的熱功當(dāng)量值。墓碑上還刻有約翰福音的一段話，“趁著白日，我們必須做那差我來者的工；黑夜將到，就沒有人能做工了?！蔽挥谒鳡柕耐贡揪起^改為以他的名字命名。

• 曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會（Manchester Literary and Philosophical Society）主席，（1860）；

• 英國科學(xué)協(xié)會（British Association for the Advancement of Science）主席，（1872、1887）；

• 榮譽(yù)學(xué)位：LL.D.，都柏林三一學(xué)院，（1857）；

• DCL（Doctor of Civil Law），牛津大學(xué)，（1860）；

• LL.D.，愛丁堡大學(xué)，（1871）。

• 他在1878年收到了由王室?？睿╟ivil list）撥出的津貼，為“每年”￡200，是為了獎勵他在科學(xué)上的服務(wù)；

• 皇家文藝學(xué)會的阿爾伯特獎?wù)拢ˋlbert Medal (RSA)），（1880）。

• 盡管焦耳沒有葬于西敏寺，但還是在那為他舉行了紀(jì)念儀式。

• 由阿爾弗雷·德吉爾伯特（Alfred Gilbert）完成的塑像坐落在曼徹斯特市政廳（Manchester Town Hall）中，與道爾頓的塑像相對。

人物影響

無論是在實(shí)驗(yàn)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。

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?！毕嘈艑τ诖蠖鄶?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，雖然后人決不會感到驚奇。

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。