他是釀酒商,釀出焦耳定律

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如果是像福爾摩斯般,原本是聰明的化學家,後來成為善於推理和觀察的偵探,這樣的設定當然十分具說服力;不過,假若你原本是釀酒商,後來成為了科學家,要建立名聲和使人信服,這條路便不容易走了,例如像英國物理學家焦耳(Jame Prescott Joule)。

焦耳(Jame Prescott Joule) 圖片來源:Museum of Science and Industry
焦耳(Jame Prescott Joule) 圖片來源:Museum of Science and Industry

焦耳的大名,基本上每名初中學習物理課的學生也聽過,因為能量單位「焦耳」(Joule)就是以其名字命名。焦耳出生於 1818 年 12 月 24 日,英格蘭索爾福德市(Salford),父親是富裕的釀酒商,但他很小已擁有成為科學家的細胞,其就讀的中學,便是提出原子論的著名物理學家道爾頓(John Dalton) 所創辦,焦耳亦是其學生。

焦耳其後接掌了家族的釀酒廠,但仍對科學有濃厚興趣,特別是熱動力學。早在 16 世紀,科學家認為熱是一種無色無味無重量的流體,可在物質之間流動,他們稱之為「卡路里」(calorie)。直到美國科學家蘭福勒(Benjamin Thompson Rumford)對「卡路里」理論提出質疑,他發現磨擦能產生熱力,例如於炮管不停鑽孔能產生熱力,而這種「熱」則似乎是無窮無盡,因此熱是可以從機械作「功」(work)而轉換得來,但這種前衛理論在當時卻未受到重視。

焦耳受到道爾頓的原子論啟發,認為「熱」是原子的運動,熱則是原子運動把「能量」在物質間傳遞,但要證明這理論便需要有嚴謹旳實驗支持。1840 年,焦耳發表了現稱「焦耳定律」的研究論文概要,說明通電電線產生的熱力是從化學電池中的化學作用所產生,即是熱力是可以生產出來,而不僅僅是從某處轉移。他甚至推導出焦耳定律的公式:從電流通過電線而產生的熱量,跟電流的平方成正比,跟導體的電阻成正比,及跟通電的時間成正比。1841 年在「哲學雜誌」(Philosophical Magazine)上初次發表研究,但當時並未得到甚麼迴響。

實驗把法碼從高處放下,法碼透過滑輪帶動密封水桶內的槳,槳轉動時因摩擦而生熱,量度機械能與溫度轉變比率。 圖片來源:wikimedia
實驗把法碼從高處放下,法碼透過滑輪帶動密封水桶內的槳,槳轉動時因摩擦而生熱,量度機械能與溫度轉變比率。 圖片來源:wikimedia

在 1843 年,他從另一篇有關電磁能的研究中斷定出機械能可以轉換成熱能,讓他完全否定「卡路里理論」,同時他着手研究熱與能量的轉換關係。他設計了一個簡單而精巧的裝置:將法碼從高處放下,法碼透過滑輪帶動密封水桶內的槳,槳轉動時因摩擦而生熱。研究再次確立機械能可轉換成熱能,而且他更發現固定單位的機械作「功」能轉換成固定的熱量,兩者間的關係稱為「熱功當量」(mechanical equivalent of heat),也是「能量守恆定律」的前身。不過或多或少受焦耳的釀酒商身分影響,當時的評審人認為焦耳的實驗存在缺陷,不夠嚴謹,結果他連同其理論一同被冷落。

後來經過無數的實驗,在 1850 年焦耳最終求出熱功當量的數值為 4.159  焦耳/卡,與現在使用的 4.186 焦耳/卡極其相近,其論文終於能在一流期刊「哲學會報」(Philosophical Transactions)上發表,他更獲選為皇家學會會士;其後又與當初曾批評過他的物理學家 William Thomson 共同研究有關氣體熱動力學等題目。焦耳最初人微言輕,但憑藉他的堅持和天分,最終如同「焦耳」單位一樣,流傳萬世。