※ 引述《Deltak (蓝田五十弦)》之铭言： : 小弟是假的理组 : 刚刚跟朋友讨论到一个问题 : 一台耗油的发电机 : 不管有没有用电，都是一样耗油 : 当没有用电的时候 : 那个产生出的能量跑到哪里去了？ : (动能变成电能，电能跑哪里去了？) : 小弟的朋友是有跟我讲了几个例子 : 但都没办法让假的理组明白 : 有没有能量守恒的八卦？ 说到能量守恒，就来聊聊焦耳的八卦吧。 焦耳（James Prescott Joule, 1818.12.24~1889.10.11），英国物理学家。他注意到 伴随电流在导线所产生的发热现象，提出了焦耳定律。之後，他藉由大量的实验测定了 热功当量，确认了在一定的关系之下，热量与功可以互相转化，从而对能量守恒的发现 做出重大的贡献。热量的单位(J)便是以其姓氏命名。 1818年，焦耳出生在英国曼彻斯特附近的索福特（Salford），父亲是一位酿酒厂 负责人。由於身体上的缺陷(脊椎问题)，使他的个性自卑内向，害怕与人相处，宁愿 宅在家也不要到学校上课。为此，父亲请了一位家庭教师在家里教他。 16岁时，他的父亲聘请了当时最着名的原子论创始者道耳吞（John Dalton）作为他的 私人教师。虽然两年後道耳吞因中风而退休，但与道耳吞的相遇，让他了解自然科学 的精神，启发了对科学研究的兴趣。 从1837年到1856年之间，焦耳与哥哥自父亲手中接手管理家族的酿酒厂，喜爱科学的 他在自家的酿酒厂地下室建造了一间实验室，进行独立的科学实验与研究。 有一次，两兄弟带着猎枪，划着船来到一座群山环绕、风景优美的湖上。他们对着山壁 开枪，藉着枪声的回声来测量距离。为了让回声更大一些，焦耳装了比平常多三倍的 火药。按下板机的瞬间，过量的火药喷出大量火焰还把焦耳的眉毛给烧光了。 还有一次，焦耳想测试动物在受到电击後的反应。他让哥哥牵着一匹马，自己则是从旁 把电流通到马的身上。通电的瞬间，这匹可怜的马痛得高举前蹄，差一点踢爆了哥哥 的头。没想到这一试，恐怖感↓ エロ感↑，让他着了迷，他改找一位酿酒厂的女工 来进行实验。他要求这位可怜的女工在每一次电流大小不同的电击後，说明被电的 感觉，这项实验一直进行到女工失去意识才停止。（危险实验，请勿模仿！） 虽然初期的实验大多已失败收尾，但焦耳从中获得不少宝贵的经验与知识。他不曾 退怯，反而完全沉迷於科学实验的「恶趣味」之中。 趁着家中工厂之便，焦耳开始研究起以电动机是否能代替酿酒用的蒸汽机，来提高工作 效率。他安装了一台用电池驱动的电动机来进行实验。结果发现，蒸汽引擎燃烧1磅的 煤所产生的功是电池使用1 磅的锌的5 倍，远不如使用蒸汽机划算。 焦耳最初目的虽然没有达到，但是他从这些实验注意到电流会产生热的现象。1840年， 他将不同种类的金属导线放入水中通电加热，测量电流强度与水温的变化。透过多次 的实验观察，最後得出了结论：「电流通过导体时所产生的热量和电流强度的平方、 导体的电阻值与通电时间成正比」，即「焦耳定律」，所产生的热称为「焦耳热」。 由於焦耳未受过正式教育，加上来自乡下一间默默无闻的酿酒厂小开，他在发表论文 时并没有引起多少注意，直到一位俄国科学家楞次(Heinrich Lenz)也得出关於电流的 热效应，焦耳定律才得到肯定。故此，该定律亦称为「焦耳－楞次定律」。在我们的 生活中也有着大量焦耳定律的应用，例如：电热水器、电熨斗、电暖器等等，只要 遇到电流的热效应问题，都是遵循该定律。 在以前，热只来自化学的燃烧、摩擦或是辐射，「焦耳热」可说是前所未闻的！ 那时大多数科学家对於热的了解仅是一种无色、无味而且没有重量的流体— 「热质」（caloric)。这样一个「热质说」（亦称为卡路里理论（Caloric theory） 解释了许多热的现象，如：温度较高的物体含有的热质较多、温度发生变化是因为 物体吸收或放出热质的结果。 到了18世纪末，热质说开始受到质疑。1798年，仑福特(Count Rumford)在钻磨炮管时 ，发现铜屑和炮管同样会变热。他认为热不是来自於本身所含的热质，而是由於钻头 与炮管摩擦产生。英国化学家戴维（Humphry Davy）在一个绝热的封闭环境下，将 两冰块互相摩擦，竟然会有冰熔化成水的现象。 这些实验结果无法用热质说来解释为何热可以源源不绝地产生。虽然如此，热质说 仍在作垂死挣扎。德国医生迈尔(Julius Robert von Mayer，1814.11.5－1878.3.20) 自1840年开始陆续发表关於热的研究论文。他认为热可以作功，功也可以产生热， 并提出能量守恒和转换的概念。 他将第一篇论文寄给德国物理年监杂志。杂志的总编辑一见到这个年轻人便问： 「冯‧迈尔先生，可否先自我介绍一下？」 「My name is Van, I'm a artist 　I'm a performance artist. 　I'm hired for people to fulfill their fantasies, their deep♂dark♂fantasies. 」 「呃...那你有什麽特长?」 「我腿特长！」 「咳咳...你的职业是？」 「我是一名医生。」 「医生？医生怎麽会到来物理杂志应徵工作？」 「我是来投稿的。」迈尔自公事包拿出一叠论文放在总编辑桌上，「请务必刊出我 的理论，它一定会颠覆整个科学界！」 「真的吗！这太棒了！你先把论文留下，我一定会安排刊出。」 待迈尔离开後，总编辑便将论文扔进垃圾桶，并叫来秘书，下次别再让他进来。 迈尔并没有闲下来等待消息，他料想自己只是个小医生，任谁不会相信，便到举办 演讲，还去参加学术会议。 迈尔：「太阳把能量洒向地球，地球上的植物因此生长，并生出各种化学物质…」 台下的听众根本不顾迈尔正在演说，纷纷喊着： 「你在讲什麽屁话，不要脸的脏东西，都说谎话！」 「Liar！」 「亏你还是个医生，先医治你的脑袋吧！」 其实迈尔所提出的光合作用，之後被俄国科学家季米里亚捷夫(1843-1920)所证实。 这是後话。迈尔的理论不被人理解，他的演说更是乏人问津，他陷入极度的痛苦中， 加上他的儿子过世，周围的人更是批评:「连自己的孩子也治不好，当什麽医生！」 一连串的的打击，让他终日处在精神崩溃的边缘。不久，他的诊所关门了，身体一天天 瘦弱，脾气变得暴躁起来。最後，他选择跳楼自杀，结束一生。 焦耳也在同时期研究能量守恒，在受到道耳吞的鼓励，加上先前的电学实验，焦耳开始 思索电能、热能与力学能之间的转换关系。为了测量能量之间的转换，他设计了一个 实验装置：一个装着水的杯子，里面装有搅动水的扇叶，扇叶与杯外装有把手的重锤 装置相连。 转动手把，重锤便升高，放开手把後，重锤受重力缓缓下降，同时带动水里的扇叶 转动。扇叶转动时，会与水产生摩擦，使水温升高，扇叶的动能转换成水的热能。 也就是重锤的重力位能先转换成扇叶的动能，进而变成水的热能。 这个实验的奥义，就是重锤的重力位能（功）是已知的，水获得的热量也可以从前後 温差测得，但是功和热的单位不同，因此焦耳测出两者之间转换的关系，大约为 819 ft‧lbf/Btu（也就是1卡约为4.41焦耳）。 焦耳的实验证实，能量有很多不同的形式，热只是其中一种，而且能量可以在不同形式 间转换，但是总能量永远不变，在这个基础上逐渐发展出「能量守恒定律」。为纪念 焦耳的贡献，後人将能量的单位命名为「焦耳」（简称为J）。 1847年，焦耳参加了一场由英国科学协会於牛津举行的会议。 焦耳：「过去，『热质说』告诉我们，温度的改变是因为热质的流出或流入；温度较高 的物体含有较多的热质，反之亦然...。今天，我要跟大家报告的是，所谓的热，那 只不过是一种能量的形式！」 会场内，抱持着热质说的学者与科学家，他们对於焦耳的发言直摇头，议论纷纷起来。 「这位酿酒厂的负责人是不是喝醉了？热量哪里会和功扯得上关系！」 「贡桌上待久了，自以为是佛祖！以为做一些业余的科学研究就可以胡说八道？」 更有人毫不客气地批评道：「你妈知道你在这里发废文吗？」 当时在台下的听众里头，有一位格拉斯哥大学的年轻教授汤姆生(William Thomson)。 他对於焦耳的理论感到兴趣，但仍是有所怀疑。 虽然如此，焦耳并不以为意，回到家後，又继续进行实验，做更精密的测量。他不仅 用水来测力学能转化成的热能，还换了水银、鲸鱼油与空气，後来又把热功当量精确 到4.154 Joul/cal，与现今的标准值4.19 Joul/cal相当接近。 热功当量的实验给予热质说致命的一击，如同日本知名拳击漫画《第一神拳》中肝脏 攻击般的重拳，热质说的拥护者只能扔下认输的白毛巾。从1843年开始，直到1878年 进行最後的实验，焦耳足足花费了约35年的时间，进行了400多次实验，毅力实在惊人。 汤姆生回到学校後，便学起焦耳自己动手做起实验并查阅了科学期刊与书籍。不久， 汤姆生开始改变想法，逐渐支持焦耳的观点。这开启了汤姆生和焦耳之间的友谊与 共同合作的大门。当时，焦耳是29岁，汤姆生才23岁，两人惺惺相惜，情不自禁。 在他们合作的第二年，便提出了「绝对温度」的概念。此外，他们亦发现了 「汤姆生—焦耳效应」。这是气体受压通过窄孔後，发生膨胀降温的现象，奠定了 现在低温物理学与冷冻工程的基础。 汤姆森和焦耳不仅是科学上的合作伙伴，也是好朋友。在汤姆森的回忆录中提到一则 关於焦耳蜜月旅行的趣事。1847 年，在阿尔卑斯山区旅游的汤姆森，巧遇了焦耳和 他的新婚妻子艾蜜利雅（Amelia），当时焦耳夫妻正在蜜月旅行。 但焦耳却带了一支长达一公尺的巨型温度计，打算要测量出当地瀑布上、下方水流的 温度差。几天後，汤姆森与焦耳一起出现在山区的一个小瀑布旁，进行实验。 当时焦耳认为瀑布冲下的能量会让瀑布下方的水温增加，不过由於瀑布留下来的水都 溅成水花，水又是流动的，因此无法有效的测量到温度差。虽然如此，这样的想法却是 日後的搅拌实验测定热功当量的原始构想。 焦耳的新婚蜜月旅行带着巨型温度计的举动可说是前不见古人，後不见来者，还好 被放置play的艾蜜利雅了解焦耳对於验证科学原理的着迷，并没有加以阻止。 焦耳过世後，在他的墓碑上头刻有一组神秘数字11081，呃，错了错了，是772.55才对， 这是他在1878 年所测出最准确的热功当量。 焦耳 漫画版: 物理萌史 线上科普漫画 http://physicstory.pixnet.net/blog/category/4071123 reference: 1.科学少年 2016.06 2.中国五千年(数理化通俗演义) 3."On the Mechanical Equivalent of Heat" James Prescott Joule,1850 4.Wiki 5.本月物理史 2009.12 6.いいおっぱい 7.Van样(哲♂学 F@ck you) -- 对流血一周仍然不死的生物千万不能大意……。 --

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