编者按

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳出生在兰开夏郡的索尔福德，他在他的家乡（或者说曼彻斯特临近的城市）工作。他的研究工作集中在电学和一种能量形式（比如电流）转化成另外的能量形式（比如动能）的规律上。为了纪念焦耳，米–千克–秒单位制系统采用他的名字作为能量单位。1870年，焦耳被授予科普利奖章，这是皇家学会的最高荣誉。这篇文章的作者约翰·廷德尔是曼彻斯特研究所的教授，该研究所最终成为了当地的第一所大学。但在1871年之前作者就已经成为伦敦皇家研究院的一名教授。 英文

30年前，人们希望电磁能能够成为一种可以和蒸汽相媲美的动力形式。在像曼彻斯特那样的工业中心，人们对这种动力的研究和应用十分广泛，这可以从当时的科学文献中看出来。和其他人一样，曼彻斯特人詹姆斯·普雷斯科特·焦耳也研究了这个课题，并于1839～1841年间在斯特金的《电学年鉴》上发表了一系列文章，描述了设计和完善电磁发动机的各种尝试。焦耳先生的探索精神可以从下面的话中体现出来，他说，“我非常急切地要把所有适宜的新成果公之于众，为的是尽量抢在那些仅仅为了金钱而想把这个极为有趣的课题垄断掉的人前面。”他很自然地把研究转向了电磁吸引作用的规律，并在1840年宣布了一个重要的定律：两个电磁体或者电磁体和退火铁之间的吸引力正比于磁化电流强度的平方；电磁体和永磁体磁极之间的相互作用只与电流强度成正比。这些研究是焦耳独立进行的，尽管比亨利、雅各比以及楞次和雅各比通过著名实验得出的相同结果略晚一些。 英文

1840年12月17日，焦耳先生在皇家学会宣读了他关于伏打电流发热的论文；在论文中，他宣称，等量的传输电流产生的热效应跟电流所克服的电阻成正比，与闭合电路中金属的长度、厚度、形状和特性无关，并且与电流的平方成正比。这是一个非常重要的定律。在另一篇提交给皇家学会但遭退稿的文章中，焦耳用新的实验证实了这个定律，并将其大大扩展。他还针对伏打电流通过电解液时的热效应进行了实验研究，最终发现，在所有情况下，伏打电流产生的热量都正比于电流强度的平方与电阻的乘积。通过这个定律，他推出了一些在电化学领域极为重要的结论。 英文

在从事这些充满超人智慧和独创性的研究过程中，焦耳萌生并逐渐形成了在机械能和热量之间建立定量关系的想法。1843年焦耳先生在英国科学促进会于科克召开的会议上宣读了一篇《论磁电的热效应和热的机械值》的论文。即便在今天，这个研究报告都是很难读懂的，在当时要读懂它简直是毫无希望的。我想这就是法拉第教授建议焦耳先生不要将它提交给皇家学会的原因。但隔了一段时间以后，焦耳对文章的主旨和结论作出了如下的概括，给人留下极深的印象：“那篇文章用实验证明了施加于磁电式电机上的机械能被转化成线圈中感应电流所释放的热量，另一方面，电磁发动机的动力则来源于电池化学反应所提供的热量。” 这个结论的重要性和价值也就不必在此赘述了。 英文

在1843年发表的论文中，一系列实验所得到的“热的机械值”差别较大，考虑到首次得出结论的实验所要面对的各种偶然因素，这也就不足为怪了。对应于温度上升华氏1°所做的功，测量得到的最低值是587英尺磅，最高值是1,026英尺磅。 英文

当时焦耳先生指出，在他的研究中有一个著名的结论，即蒸汽机的热能转化为有效能量的效率非常低。著名的尤利乌斯·罗伯特·迈尔后来在德国也研究了这个问题，并独立地得到了同样的结论，但是他的观点还需要在未来的实验中去确证。焦耳先生在他的研究报告中还指出，他发现水流过细管子时会放出热量，通过实验他得到的数值是770英尺磅，这个值非常接近于今天我们承认的数值。另一份关于动物热量起源和转化的报告突出地表明了焦耳先生敏锐的洞察力和他在那个年代对规律的掌控能力。一位朋友曾经向他提到过哈勒尔的假说，该假说认为动物的热量可能起源于血液在静脉和动脉中流动时的摩擦。“这是毫无疑问的，”焦耳在回信中写到，“热量就是由这样的摩擦产生的，但是要知道，在摩擦中消耗的机械力也是使静脉血与氧结合的亲和力引发的，所以动物系统的全部热量必然来自于化学反应。但动物在搬运东西或者上山的时候，我认为，动物将消耗其通过化学反应释放出的热量，而系统热量的 减少 与动物肌肉为完成这项工作所做的功成正比。”句子中突出强调的部分是焦耳在1843年的原稿中就标注了的。 英文

焦耳对于化学能与潜热的精确洞察力在这篇英国科学促进会论文的结束语中也有所体现。他写到，“我曾经竭力去证明两个原子结合时所释放的热量与化学反应产生的电流所释放的热量相等，也就是与使原子结合的化学力的强度成正比。现在，我要大胆地说得更明确一点，吸引力这个说法并不确切，应该说是两个原子在相互靠近时所克服的机械力，这个力决定了电流的强度，也决定了释放的热量。这样，我们就得到了一个简单的假说，可以用它来解释为什么在气体发生化合反应的过程中热量可以自由地释放，根据这个假说我们真的可以把‘潜热’看作是一种储备的机械力，就像上好的手表发条一样。例如，假设8磅氧和1磅氢在气态下混合在一起，然后发生了爆炸。爆炸所释放的热量差不多可以使60,000磅水的温度上升华氏1°，说明化合反应释放的机械能相当于把50,000,000磅的重物从地面提升1英尺所做的功。如果氧和氢可以在液态下发生反应，那么化合反应放出的热将小于气态的情况，因为原子之间的结合只需克服更小的距离。”这些陈述高屋建瓴地把握了分子物理学和热力学之间的关系，对此我无需再赘述了。 英文

焦耳先生极好地证实了他的实验所要建立的原理的重要性，但是他并没有满足于此，因为正如上面所提到的那样，实验结果还存在较大的差异。他于1844年采用全新的方法，精确地测量了空气在膨胀过程中的热量变化：首先，在抵抗外部压力的膨胀中，空气对外做功；其次，空气自由膨胀时，不对外做功。他用这种方式重新建立了热量消耗和做功之间的关系。他从5组不同的实验中推出了5个不同的热功当量；这些数据的吻合程度远远好于他以前的实验结果。测量得到的平均值是802英尺磅。1845年，焦耳用叶轮搅动水的实验测得的热功当量值是890英尺磅。1847年，他又用叶轮搅动水和鲸油，重复了上面的实验，测定了温度升高的度数，也就得到了致使温度升高的机械能的大小。一次实验得到的结果是781.5英尺磅，另一次实验的结果是782.1英尺磅。两者非常接近，它们的平均值是781.8英尺磅。 英文

到目前为止，焦耳前10年的工作经验已经使他能够相当熟练地掌控与实验精度和成败密切相关的各种条件。1849年焦耳将他的成熟经验应用于热功当量的测定之中，做了40组水的摩擦实验，50组水银的摩擦实验和20组铸铁盘的摩擦实验。他从这些实验中推出了我们现在所使用的热功当量，即全世界都认可的“焦耳当量”。 英文

这些工作取得的成果非常重要也非常出名，每逢被人提及时总能得到高度评价。这就是焦耳先生的工作，它们构成了一个意义重大的定理的实验基础，不仅仅在实践层面上意义重大，对于科学哲学更是如此。自牛顿时代以来，还没有什么科学成果能比焦耳先生用实验所阐明的理论更重大。 英文

我没有提及焦耳先生科学著作中很多的小文章，也没有介绍他和威廉·汤姆孙爵士一同完成的重要研究。但是，我觉得我在这里介绍的内容已经足以说明：授予焦耳先生皇家学会的最高奖项，不仅仅是委员会给天才颁发的恰如其分的奖励，也是他在20年以前就应当得到的嘉奖。 英文

将焦耳工作的简短历史和1871年科普利奖章获得者的相比，就可以从“环境”对两个具有相同资质的人的不同影响中得到启发。迈尔在放弃了机械设备的研究之后，经过深思熟虑颇有远见地选择了利用现有数据探索出一个计算热功当量的简便算法。而焦耳身处机械设备当中，致力于实验工作，为我们今天所接受的力学理论打下了广泛而坚实的基础。焦耳的大部分时间都花在了实验操作上；而迈尔则从繁琐的工作中解放出来，他有充足的时间将理论带入最深奥和最有价值的应用之中。如果将他们的位置交换一下，也许焦耳会成为迈尔，而迈尔则会成为焦耳。 英文

（王静　翻译；李军刚　审稿） RGuiNQJArFCq1pq4nyeIhDpMQ89lZfOITth4S55STtPYCQnKb/ajXzmnhtIxWLlT