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占士焦耳

占士焦耳（英文：James Prescott Joule，1818年12月24號—1889年10月11號）係英國物理學家，發現熱量同做功之間嘅轉換關係，所以研究到能量守恆定律同熱力學第一定律。能量國際單位「焦耳」就係用佢個名。

占士焦耳
姓名原文James Prescott Joule
出生日1818年12月24號 喺Wikidata改呢個
出生地Salford 喺Wikidata改呢個
死亡日1889年10月11號 喺Wikidata改呢個 （70歲）
死亡地Sale 喺Wikidata改呢個
國籍大不列顛愛爾蘭聯合王國、英國 喺Wikidata改呢個
識嘅語言英文 喺Wikidata改呢個
母校曼徹斯特大學 喺Wikidata改呢個
職業物理學家 喺Wikidata改呢個
名作熱力學 喺Wikidata改呢個
配偶Amelia Grimes 喺Wikidata改呢個
阿爸Benjamin Joule 喺Wikidata改呢個
阿媽Alice Prescott 喺Wikidata改呢個
占士焦耳

早年生活

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祖耳（James Joule）喺1818年出世，佢老豆係富有嘅啤酒商班傑明·祖耳（Benjamin Joule，1784–1858年），阿媽就係愛麗絲·普雷斯科特（Alice Prescott）。佢喺索福特市嘅新貝利街出世。[1]細個嗰陣，祖耳跟過有名嘅科學家約翰·道爾頓學習，仲受到化學家威廉·亨利（化學家）同埋曼徹斯特嘅工程師彼得·尤爾特同伊頓·霍奇金森嘅影響。佢對電好有興趣，成日同佢阿哥一齊搞電，仲要拎嚟電家傭添。[2]

大個之後，祖耳就去打理佢老豆間啤酒廠，科學研究變成咗佢嘅業餘愛好。大約1840年左右，佢開始研究用新發明嘅電動機取代啤酒廠嘅蒸汽機嘅可行性。佢第一份科學論文就係寫畀威廉·斯特金嘅《電學年鑑》。祖耳仲係斯特金同其他人成立嘅倫敦電力學會嘅會員。[未記出處或冇根據]

佢一方面想搞清楚邊種動力更加慳錢，另一方面又想滿足自己嘅科學好奇心，於是就開始研究邊種原動機效率更高。佢喺1841年發現咗祖耳第一定律，就係「任何伏打電堆正常運作所產生嘅熱量，同電流強度嘅平方乘以佢經歷嘅傳導（熱）阻力成正比。」[3]之後佢發現，喺蒸汽機度燒一磅（質量）煤，比喺電池度用一磅昂貴嘅鋅更加划算。祖耳將唔同方法嘅功率輸出用同一個標準嚟衡量，就係將一磅重嘅物件提高一英尺嘅能力，即係「英尺-磅」。[未記出處或冇根據]

不過，祖耳嘅興趣好快就由單純嘅財務問題轉移到可以從一個特定來源提取幾多功，呢個問題令佢開始思考能量嘅可轉換性。1843年，佢發表咗實驗結果，證明佢喺1841年量化嘅加熱效應係因為導體（材料）產生熱能，而唔係從設備嘅其他部分轉移熱能。呢個發現直接挑戰咗熱質說，熱質說認為熱能既不能被創造，亦不能被銷毀。自從1783年安托萬·拉瓦錫提出熱質說之後，呢個理論一直主導住熱學嘅思維。拉瓦錫嘅威望加上薩迪·卡諾嘅熱機熱質理論自1824年以嚟喺實踐中取得嘅成功，令到喺學術界同工程界之外工作嘅年輕祖耳要面對一條艱難嘅道路。熱質說嘅支持者好快就指出珀耳帖-西貝克效應嘅對稱性，聲稱熱同電流可以喺一個至少近似可逆過程（熱力學）中相互轉換。[未記出處或冇根據]

熱嘅機械等價物

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佢用電動馬達做嘅進一步實驗同埋測量令到Joule估計到熱嘅機械等價物係每卡路里4.1868焦耳嘅功，即係將一克水嘅溫度升高一開爾文所需要嘅功。[a] 佢喺1843年8月科克市舉行嘅英國科學促進協會化學組會議上宣布咗佢嘅結果，但係冇人出聲。[5]

Joule冇氣餒，開始尋求一個純機械嘅方法去證明功可以轉化成熱。佢將水強迫穿過一個有洞嘅圓筒，可以測量到流體輕微嘅黏度加熱。佢得到嘅機械等價物係 4,140 J/Cal。對Joule嚟講，用電力同純機械方法得到嘅數值至少有兩個有效數字嘅一致性，係功可以轉化成熱呢個事實嘅有力證據。

J.P. Joule，1843年8月

Joule而家嘗試第三個方法。佢測量咗壓縮氣體所產生嘅熱同做嘅功。佢得到嘅機械等價物係4,290 J/Cal。喺好多方面，呢個實驗俾咗Joule嘅批評者最容易嘅攻擊目標，但係Joule用聰明嘅實驗方法化解咗預期中嘅反對意見。Joule喺1844年6月20號向英國皇家學會宣讀咗佢嘅論文，[6][7]但係佢嘅論文俾皇家學會拒絕發表，佢只能夠喺1845年喺《哲學雜誌》度發表。[8] 喺呢篇論文入面，佢率直咁拒絕咗卡諾同愛彌爾·克拉佩龍嘅熱質說理論，呢個拒絕部分係基於神學嘅原因：[未記出處或冇根據]

我認為呢個理論……係同公認嘅哲學原則相悖嘅，因為佢導致咗一個結論，就係活力可以因為裝置擺放唔啱而被破壞：因此，克拉佩龍先生得出咗一個推論，「火爐嘅溫度比鍋爐高1000 °C到2000 °C，喺熱從火爐傳到鍋爐嘅過程中有大量活力損失。」我相信只有造物主先有破壞嘅能力，所以我肯定……任何一個理論如果推導到要消滅力，就一定係錯誤嘅。

Joule喺呢度用咗活力（能量）嘅語言，可能係因為霍奇金森喺1844年4月向文學哲學學會宣讀咗一篇關於尤爾特嘅《論運動力嘅量度》嘅評論。[未記出處或冇根據]

1845年6月，Joule喺劍橋嘅英國協會會議上宣讀咗佢嘅論文《論熱嘅機械等價物》。[9] 喺呢項工作中，佢報告咗佢最著名嘅實驗，涉及用一個下落嘅重物，重力做機械功，去推動一個放喺隔熱水桶入面嘅槳輪，令到水溫上升。佢而家估計機械等價物係4,404 J/Cal。佢寫咗封信俾《哲學雜誌》，喺1845年9月發表，描述咗佢嘅實驗。[10]

 
Joule嘅熱力裝置，1845年

喺1850年，Joule發表咗一個更精確嘅測量結果，係 4,150 J/Cal，更加接近二十世紀嘅估計。[11]

接受同優先權

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   想搵同邁耶嘅優先權爭議，請睇「熱嘅機械等價物 § 優先權」。
 
Joule測量熱嘅機械等價物嘅裝置

最初對Joule工作嘅大部分抵抗源自佢依賴極度精確嘅測量。佢聲稱可以將溫度測量到華氏200分之1度（3 mK）嘅精度。喺當時嘅實驗物理學中，呢種精度當然唔常見，但係佢嘅質疑者可能忽略咗佢喺釀酒藝術方面嘅經驗同佢接觸到嘅實用技術。[12] 佢仲得到咗科學儀器製造商約翰·本傑明·丹瑟嘅有力支持。Joule嘅實驗同魯道夫·克勞修斯嘅理論工作互相補充，有啲人認為克勞修斯係能量概念嘅共同發明者。[未記出處或冇根據]

Joule提出咗一個熱嘅動力學理論（佢相信熱係一種旋轉而唔係平移嘅動能），呢個需要一個概念上嘅飛躍：如果熱係一種分子運動嘅形式，點解分子嘅運動唔會慢慢停止呢？Joule嘅想法要求人相信分子嘅碰撞係完全彈性嘅。重要嘅係，原子同分子嘅存在喺之後50年都仲未被廣泛接受。[未記出處或冇根據]

雖然而家可能好難理解熱質說嘅吸引力，但係喺當時佢似乎有啲明顯嘅優勢。卡諾成功嘅熱機理論都係基於熱質假設，只係之後先由開爾文勳爵證明咗卡諾嘅數學喺唔假設熱質流體嘅情況下都一樣有效。[未記出處或冇根據]

不過，喺德國，赫爾曼·亥姆霍茲意識到Joule嘅工作同尤利烏斯·羅伯特·馮·邁耶喺1842年做嘅類似工作。雖然兩個人自從佢哋各自發表之後都俾人忽視咗，但係亥姆霍茲喺1847年關於能量守恒嘅權威性聲明中都有讚揚佢哋兩個。[未記出處或冇根據]

同樣喺1847年，Joule喺牛津嘅英國協會嘅另一次演講俾喬治·加布里埃爾·斯托克斯、邁克爾·法拉第同埋當時年輕有為、與眾不同嘅威廉·湯姆森（之後成為開爾文勳爵）聽到，湯姆森剛剛俾委任為格拉斯哥大學嘅自然哲學教授。斯托克斯「傾向支持Joule」，法拉第「深受觸動」但係仲有啲懷疑。湯姆森好有興趣但係都有啲懷疑。[未記出處或冇根據]

出乎意料嘅係，湯姆森同Joule喺同年喺夏慕尼相遇。Joule喺8月18號同阿米莉亞·格里姆斯結婚，兩個人去咗度蜜月。雖然婚姻熱情高漲，Joule同湯姆森都安排咗幾日之後嘗試一個實驗，去測量薩朗什瀑布頂部同底部嘅溫度差異，雖然之後證明呢個實驗唔切實際。[未記出處或冇根據]

雖然湯姆森覺得Joule嘅結果需要理論解釋，但係佢退縮到一個熱烈捍衛卡諾–克拉佩龍學派嘅立場。喺佢1848年關於絕對溫度嘅論述中，湯姆森寫道「將熱（或熱質）轉化為機械效果可能係唔可能嘅，肯定係未發現嘅」[13][14] – 但係一個腳注顯示咗佢對熱質理論嘅第一個懷疑，提到咗Joule嘅「非常出色嘅發現」。令人意外嘅係，湯姆森冇將佢嘅論文寄俾Joule，但係當Joule最終讀到佢嘅論文之後，佢喺10月6號寫信俾湯姆森，聲稱佢嘅研究已經證明咗熱可以轉化為功，但係佢計劃做更多嘅實驗。湯姆森喺27號回覆，透露佢計劃做自己嘅實驗，希望可以調和佢哋兩個嘅觀點。雖然湯姆森冇做新嘅實驗，但係喺之後兩年，佢對卡諾嘅理論越嚟越唔滿意，同時越嚟越相信Joule嘅觀點。喺佢1851年嘅論文中，湯姆森最多只願意做一個妥協，佢宣稱「熱嘅動力理論嘅全部都係建立喺兩個命題上面，分別嚟自Joule同卡諾同克勞修斯」。[未記出處或冇根據]

Joule一讀到呢篇論文就寫信俾湯姆森，講咗佢嘅評論同問題。就咁開始咗兩個人之間富有成果嘅合作，雖然大部分都係通過書信進行嘅。Joule負責做實驗，湯姆森負責分析結果同建議更多嘅實驗。呢個合作持續咗由1852年到1856年，佢哋嘅發現包括焦耳–湯姆森效應，發表嘅結果為Joule嘅工作同氣體動力學理論嘅普遍接受做出咗好大嘅貢獻。[未記出處或冇根據]

動力學理論

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詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

動力學係研究運動嘅科學。焦耳係道爾頓嘅學生，所以佢堅信原子理論都唔出奇，儘管當時仲有好多科學家對此存疑。佢亦係少數幾個接受約翰·赫拉帕斯被忽視嘅氣體動力學理論嘅人。此外，彼得·尤爾特喺1813年發表嘅論文「論運動力嘅測量」都對佢有深遠嘅影響。[未記出處或冇根據]

焦耳意識到自己嘅發現同熱力學理論嘅關係。佢嘅實驗筆記顯示，佢相信熱係一種旋轉運動，而唔係平移運動。[未記出處或冇根據]

焦耳忍唔住喺弗朗西斯·培根、艾薩克·牛頓爵士、約翰·洛克、本傑明·湯姆森（倫福德伯爵）同漢弗里·戴維爵士嘅著作中尋找自己觀點嘅先驅。儘管呢啲觀點係合理嘅，焦耳仲根據倫福德嘅著作估算出熱功當量嘅數值為1,034英尺磅。有啲現代作家批評呢種做法，認為倫福德嘅實驗根本唔係系統性嘅定量測量。喺佢嘅個人筆記中，焦耳聲稱馬耶嘅測量唔比倫福德嘅更加準確，可能係希望馬耶冇預先做咗佢自己嘅工作。[未記出處或冇根據]

焦耳喺1869年寫畀曼徹斯特文學哲學學會嘅一封信中被認為解釋咗日落時嘅綠閃光現象；實際上，佢只係記錄咗（附帶草圖）最後一瞥係藍綠色，冇嘗試解釋呢個現象嘅成因。[15]

已發表嘅作品

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  • 〈論金屬導體喺通電時同電池喺電解期間產生嘅熱量〉。《哲學雜誌》。19 (124): 260。1841。doi:10.1080/14786444108650416。
  • 〈論磁電嘅熱效應同熱嘅機械當量〉。《哲學雜誌》。3。23 (154): 435–443。1843。doi:10.1080/14786444308644766。
  • 〈論空氣稀釋同壓縮產生嘅溫度變化〉。《皇家學會會刊》。5: 517–518。1844。doi:10.1098/rspl.1843.0031。
  • 〈論空氣稀釋同壓縮產生嘅溫度變化〉。《哲學雜誌》。3。26 (174): 369–383。1845。doi:10.1080/14786444508645153。
  • 〈論熱嘅機械當量〉。《英國科學促進協會通訊同摘要》。15。1845b。 1845年6月喺劍橋嘅英國協會大會上宣讀。
  • 〈論熱同普通機械功之間嘅等價關係嘅存在〉。《哲學雜誌》。3。27 (179): 205–207。1845c。doi:10.1080/14786444508645256。
  • 〈論熱嘅機械當量〉。《倫敦皇家學會哲學學報》。140: 61–82。1850。doi:10.1098/rstl.1850.0004。
  • 《詹姆斯·普雷斯科特·焦耳嘅科學論文集》。倫敦：物理學會。1884。OL 239730M。
  • 《聯合科學論文》 (英文)。倫敦：泰勒同法蘭西斯。1887。
  •  
    「科學論文集」第一冊同第二冊
  •  
    「科學論文集」第一冊嘅標題頁
  •  
    「科學論文集」第一冊嘅前言
  •  
    「科學論文集」第一冊嘅圖表

榮譽

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喺曼徹斯特市政廳嘅焦耳雕像
 
焦耳喺塞爾布魯克蘭茲墓地嘅墓碑

焦耳喺塞爾嘅家中去世[16]，葬喺當地嘅布魯克蘭茲墓地。佢嘅墓碑刻有數字「772.55」，呢個係佢1878年測量熱功當量嘅高潮數值。佢發現喺海平面要做呢個數量嘅英尺磅功，先可以將一磅水嘅溫度由60 °F升到61 °F。墓碑上仲有一句來自約翰福音嘅引文：「趁著白日，我哋必須做差我嚟者嘅工；黑夜將到，就冇人能做工。」[17] 喺佢逝世嘅城市塞爾，有間維德史彭連鎖酒吧以佢命名為「J. P. 焦耳」。

焦耳獲得咗好多榮譽同表揚，包括：

喺西敏寺北邊嘅詩班側祭壇有一個紀念焦耳嘅牌匾，[19]不過佢唔係葬喺嗰度，同某啲傳記所講嘅唔同。曼徹斯特市政廳入面有一座由阿爾弗雷德·吉爾伯特雕刻嘅焦耳雕像，同道爾頓嘅雕像相對。

疏仕

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  1. ↑ 因為焦耳相當於5.3803×10-3 J/cal，所以1焦耳嘅估計係4.15 J/cal，同二十世紀初期接受嘅4.1860 J/cal[4]相比
  1. ↑ Biographical Index 2006.
  2. ↑ 〈呢個月物理史：1840年12月：祖耳關於將機械功轉化為熱能嘅摘要〉。
  3. ↑ Joule 1841, p. 260.
  4. ↑ Zemansky 1968, p. 86.
  5. ↑ Joule 1843, pp. 263, 347 & 435.
  6. ↑ Joule 1844.
  7. ↑ Joule 1884, p. 171.
  8. ↑ Joule 1845, pp. 369–383.
  9. ↑ Joule 1845b, p. 31.
  10. ↑ Joule 1845c, pp. 205–207.
  11. ↑ Joule 1850, pp. 61–82.
  12. ↑ Sibum 1995.
  13. ↑ Thomson 1848.
  14. ↑ Thomson 1882, pp. 100–106.
  15. ↑ Joule 1884, p. 606.
  16. ↑ GRO Register of Deaths: DEC 1889 8a 121 ALTRINCHAM – James Prescott Joule
  17. ↑ John 9:4
  18. ↑ Cameron, Stuart D (n.d.). "Honorary Members and Fellows". Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland. 喺17 September 2019搵到.
  19. ↑ Hall 1966, p. 62.

文獻

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