正文 81.傑出的物理學家焦耳
焦耳（1818～1889）是英國人，1818年12月24日出生在曼徹斯特市一家啤酒廠主的家庭裏，從小就跟著爸爸釀酒，沒有進過學校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書，常常一邊勞動一邊認字，自學到不少知識。後來，他幸運地認識了著名化學家道爾頓教授，便常常到他那裏請教。從此，焦耳對自然科學，特別是實驗科學產生了濃厚的興趣。
有一次，焦耳與哥哥一塊找來一匹跛馬，把電流通到馬身上，馬受到刺激便狂跳起來。焦耳記下電流的大小和馬的狂跳程度，說這是用馬來觀察電擊實驗。還有一次，焦耳用火藥槍發出的巨響做回聲實驗。為使響聲更大些，他向槍膛中裝了三倍的火藥，結果槍口噴出的火焰把焦耳的眉毛都燒光了。
24歲時，焦耳開始對通電導體放熱的問題進行深入的研究。他把父親的一間房子改成實驗室，一有空便鑽到實驗室裏忙個不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成一個電熱器。然後把電熱器放入一個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電並開始計時，用鳥羽毛輕輕攪動水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計，可隨時觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次，大量數據使焦耳發現：電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。
焦耳把這一實驗規律寫成論文《關於金屬導體和電池在電解時放出的熱》，並於1841年發表在英國《哲學雜誌》上。然而，論文並沒有引起學術界的重視。因為在一些學者們看來，電與熱的關係不能那麼簡單，況且焦耳隻是一個釀酒師，又沒有大學文憑。一年後，俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗，並得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視，後來人們把這個定律叫做焦耳定律。
1843年8月21日在英國學術會上，焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》，他在報告中說1千卡的熱量相當於460千克米的功。他的報告沒有得到支持和強烈的反響，這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。
1844年，焦耳研究了空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化，他在這方麵取得了許多成就。通過對氣體分子運動速度與溫度的關係的研究，焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值，從理論上奠定了波義耳—馬略特和蓋—呂薩克定律的基礎，並解釋了氣體對器壁壓力的實質。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學家威廉·湯姆生（後來受封為開爾文勳爵，既JJ·湯姆遜）共同完成的。在焦耳發表的九十七篇科學論文中有二十篇是他們的合作成果。當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都要下降，這一現象就是兩人共同發現的。這一現象後來被稱為焦耳—湯姆生效應。
無論是在實驗方麵，還是在理論上，焦耳都是從分子動力學的立場出發進行深入研究的先驅者之一。
在從事這些研究的同時，焦耳並沒有間斷對熱功當量的測量。1847年，焦耳做了迄今認為是設計思想最巧妙的實驗：他在量熱器裏裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水的升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。