环球科学朝圣

第七节 焦耳国葬陵墓中的纪念碑

　　作为英国的国葬陵墓，许多英国历史上的帝王和皇室成员都葬在威斯敏斯特大教堂。不过，这里并不是皇家的专用墓地，许多英国着名的科学家、艺术家和社会名流，如达尔文、牛顿、丘吉尔等人都安葬在这里。

　　1889年10月11日，71岁的焦耳在家乡索福特逝世。后人为了纪念他，不仅把功和能的单位定为焦耳，还在威斯敏斯特教堂里划出一席之地，为他树立了一块纪念碑。

　　焦耳生前大概不会想到，他死后会得到如此崇高的荣誉。他出身在一个酿酒商人的家庭里，从小就跟着爸爸酿酒，没有机会进学校读书学习，但小焦耳勤奋好学，一边劳动一边认识了很多字。

　　16岁那年，在别人的介绍下，焦耳拜着名化学家道尔顿为老师。道尔顿身体不好，焦耳跟随他学习的时间并不长，但道尔顿给予了焦耳热情的教导，向他传授了数学、哲学和化学等方面的知识，还教他掌握了理论与实践相结合的科研方法，从而激发出焦耳对化学和物理的兴趣。他把父亲的一间房子要来改成实验室，开始了科学研究。

　　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。1843年8月21日，焦耳在一次学术报告会上，宣读了题为《论磁电的热效应和热的机械值》的论文，证实热是一种能量交换的形式。很多大科学家都表示怀疑，他们不相信电与热的关系会如此简单，更不相信一个没有名牌大学文凭的酿酒技师会提出什么新见解。

　　四年后，俄国科学家、彼德堡科学院院士楞次重复了焦耳的实验，测量的结果和焦耳的完全一致（后来人们把这个定律叫做焦耳-楞次定律）。尽管如此，英国皇家学会还是不肯承认焦耳的发现。

　　有一次，在牛津召开英国科学协会会议，焦耳上台宣读热和功的论文，再一次谈到他的实验和他发现的定律，大会主持人居然横加干涉，要焦耳少讲一点儿自己的实验。

　　尽管不断遭到冷遇，但焦耳没有灰心丧气，他以极大的毅力，采用不同的方法，长时间地反复进行实验。1847年，焦耳做了迄今被认为是设计思想最巧妙的实验：他在量热器里装上水，中间安上带有叶片的转轴，然后让下降的重物带动叶片旋转，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，可以计算水的内能的升高值。把这两个数据进行比较，就可以求出热功当量的准确值来。

　　焦耳以百折不挠的精神，终于在1850年使自己的科学发现获得了科学界的公认，英国皇家学会依据他在物理学上做出的重要贡献，接纳他为会员。这一年，焦耳才32岁。

　　焦耳年轻的时候，欧洲掀起了一股“永动机热”，很多人异想天开地想发明出一种不用消耗能量就能永远做功的机器来。德国有个机械师，制造出了一台“永动机”，过了12个月轮子还在转动。可是当有人想检查这台神奇的装置时，他竟勃然大怒，自己动手把“永动机”砸毁了。还有个叫雷德赫韦的人，在纽约展出了他制造的“永动机”，据说靠的是轮子顶部滑来滑去的重块和滑道来提供能量。科学家富尔顿亲自前去考察，证明这不过是个骗人的把戏而已。

　　尽管“永动机”的骗局一再被拆穿，很多“永动机迷”还是陷入其中不能自拔，焦耳就是其中的一个。为了揭开“永动机”的奥秘，他通宵达旦地苦思冥想，设计出一个个方案，制作出一个个机件，几乎消磨了他全部的业余时间，但是到头来全都以失败告终。

　　这一连串的失败引起了焦耳的深思，为什么看上去设计得无懈可击的机器，一运转起来就成了一堆废物呢？焦耳迷途知返，毅然退出了幻想的迷宫，转向脚踏实地的科学研究，探求隐藏在失败背后的科学真谛。经过勤奋的实践，他终于找到了热功当量，为建立能量守恒定律做出了杰出的贡献。这个定律就好像一块警告牌，上边写着“此路不通”四个大字，插在了寻找“永动机”的十字路口。焦耳还现身说法，语重心长地告诫那些仍旧迷恋永动机的人说：“不要永动机，要科学！”

　　焦耳功成名就后，并没有止步不前，他仍然不间断地对热功当量进行测量。从1849到1878年，焦耳反复做了400多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米/千卡，这和现在的公认值427千克米/千卡相比，只小了0.7%。在当时的实验条件下，一个重要的物理常数能保持30年不做较大的更正，简直是物理学史上的奇迹。

　　科学小常识

　　焦耳-汤姆孙效应

　　与焦耳的名字相联的除了焦耳-楞次定律外，还有焦耳气体自由膨胀实验、焦耳-汤姆孙效应、焦耳热功当量实验、焦耳热等。

　　1847年，当29岁的焦耳在牛津召开的英国科学协会会议上再次报告他的成果时，物理学家威廉·汤姆孙（后来受封为开尔文勋爵）本来想听完后，就站起来反驳他。可是听着听着，汤姆孙竟然被焦耳完全说服了，两人从此成了好朋友，共同完成了很多实验。

　　在焦耳发表的97篇科学论文中，有20篇是他们的合作成果。他们在共同进行多孔塞实验（1852年）时，发现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会下降。

　　这一现象后来被称为焦耳-汤姆孙效应。

　　这个效应在低温技术和气体液化方面得到了广泛的应用。

　　科学小常识

　　永动机为什么制造不出来？

　　根据物理学的热力学定律，永动机在理论上是不可能制造出来的。根据热力学第一定律：能量不能自生，也不能自灭；在一个封闭的系统里，总能量保持不变。永动机需要轮子或传动装置，它们转动时必然会有摩擦，而摩擦力使动能转化成热能，散发到空气中去，就会减少轮子做功的能量。要想保持传动装置转动，就必须补充新的能量，但传动装置本身却不会创造出新的能量。

　　有人曾设想，能量虽然不会自生，但也不会自灭，能不能利用损耗的热能做功，使机器的能量不断循环呢？根据热力学第二定律，这也是不可能的。

　　能量不可能从低温热源自动传到高温热源，也就是说，热量不可能从冷的地方传到热的地方，这二者不会颠倒，一旦双方温度相等，热量也就停止传递了。简单地说，热量不可能全部转化为能量。