吃東西的時候,無意發現背面的熱量算法,有的商品標示為 "KJ" 千焦耳,而非一般常用的卡路里,同事一句那焦耳飾怎麼定義(算)出來的呢? 讓我一瞬間似乎又回到當年跟化學/物理奮鬥又困擾的學生生涯.
下面內容 維基百科 - 焦耳 內說明:
焦耳（簡稱焦，英文縮寫為J）是國際單位的熱量和做功的單位。焦耳的定義是 1 kg·m2·s-2 = 1 N·m = 1 W·s。焦耳這個單位是記念物理學家詹姆斯·焦耳。
一焦耳能量相等於在一任意物件上加上一牛頓的力，使之移動一米距離；也等於在地心引力影響下舉起一個重102克的蘋果。或是1瓦的機械工作1秒的釋放的能量。
當然順便查了 一下這位 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 的生平.
維基百科的敘述稍微少了點~下面的介紹比較詳細,焦耳的人生一整個根本就是逆境中成長且成就偉大事業的最佳典範阿!
PS. 又愛老婆~也愛跟全家人出遊聚會!
作者：張文亮 臺灣大學生物環境系統工程學系
張貼日期：2002/9/30
圖說：能量不滅定律的發現者──焦耳（James Prescott Joule, 1818-1889）。
從科學巨擘──焦耳的成長與心路歷程，可以看出怎樣才是一位科學家、一位大人物，同時也可以了解科學突破常在冷門的基礎研究。
在科學研究還不被重視的年代裡，
從事科學，是一種探索的興趣，
委身科學，是一種單純的執著。
科學大師道爾頓（John Dalton, 1766-1844）就是這樣的一個人，
一生以科學教師為己任，提倡科學教育，
把看似複雜的大自然，以單純的邏輯，
平易地呈現在孩子面前。
在人生的晚年，他仍帶著幾個學生，
在暴風雨的日子，到山上看閃電，
在夏日的深夜裡，尋找天上的北極光，
在湖泊上製造音響，由水中的回聲量測水深。
許多人說道爾頓是瘋瘋癲癲的老師，
但是他晚年那一班的八個學生中，後來在科學界都占有一席之地：
亨利（W.H. Henry）－－英國皇家科學會會員
豪勒金遜（E. Hodgkinson）－－傑出工程師
克雷格（S. Clegg）－－瓦斯表的發明者
威爾（S.H. Ware）－－物理學、歷史學與古物鑑定學家
波特（R. Potter）－倫敦大學教授
武德克羅夫特（B. Woodcroft）－－倫敦科學博物館的建立者
與留名在世界上每一本物理、化學課本裡的科學大師，
能量不滅定律的發現者－－焦耳（James Prescott Joule）。
有缺陷的孩子
西元1818年12月24日，焦耳生於蘇格蘭北部曼徹斯特城的郊外沙弗特（Salford）。他的父親是一個商人，也是一位傑出的音樂家。焦耳五歲時，醫生發現他的脊椎側彎，以後七年他多次在醫院接受矯正，最後仍然失敗，以致焦耳一生站不直。焦耳曾到小學就讀，但是身體的缺陷使他經常被同學戲弄，老師也不喜歡這個害羞、安靜、經常在課本上繪畫、塗鴉的學生。父親只好讓焦耳休學，請家庭老師在家裡教他。
焦耳經常躺在床上看書，並對父親講：「書本是我最好的旅遊去處」。這一句話讓焦耳的父親想起了「旅遊教師」道爾頓。道爾頓的「原子論」非常有名，他首先提出「所有的物質是由原子組成」，是近代科學發展的里程碑之一。道爾頓經常利用出外郊遊教導學生，在郊遊時他教學生觀察、實驗、計算實驗所得，並鼓勵學生與他討論。
松樹街的教室
西元1834年，焦耳進入曼徹斯特松樹街（Pine Street）道爾頓的學校就讀。這所學校連焦耳只有八個學生。道爾頓一生未婚，他在這所學校擔任校長、老師兼工友。這所學校成立於1800年，道爾頓直到1837年中風後才停止任教。焦耳是道爾頓培養的最後一批學生。道爾頓中風後，有七年之久，要學生定期回來，在自己的病床邊講最近從事的科學研究給他聽，而且要討論到滿意後才放他們走。
焦耳後來寫道：「道爾頓要求學生要先學三角幾何，並且學習解數學題，因為『解數學題是訓練學生專心的最好方法，而專心是科學家最基本的素養』。如果學生不明白上課所教，道爾頓會發給學生非常清楚的講義，不過，道爾頓認為講義是用來鼓勵學生的，不能取代學生自己的探索。」
電到一匹馬
西元1835年，焦耳進入曼徹斯特大學（University of Manchester）就讀，旦仍然不斷前往道爾頓處學習。大學畢業後，焦耳接手經營他父親的釀酒廠，周六夜裡則到曼徹斯特城聖彼得教堂參加唱詩班。
在道爾頓的指導下，焦耳逐漸走上科學實驗的路。焦耳後來以實驗精確著名，但是他初期學做實驗並不順利。有次在研究回聲測距離時，一不小心，被射出的子彈將眉毛射掉一截。還有一次，射擊的反作用力太大，焦耳還掉到水裡。他研究伏特電池時，曾因漏電而將一匹馬電得搖擺不已，也曾將一個釀酒廠的工人電昏。不過初期的實驗失敗，沒有使焦耳因此就裹足不前，1837年他寫道：「一種深深的期待，想在最基本的研究裡，獲得科學的知識。」焦耳逐漸進入基礎研究的殿堂。
「熱」是什麼？這是人類千年來的一個難題。自古人類就知道摩擦生熱、鑽木取火，也知道將鐵加熱後丟入水中，水就變熱，但是一直不清楚鐵器上的熱，如何傳到水中？1738年「流體力學之父」伯努利（Daniel Bernoulli, 1700-1782）認為熱是一種流體，這種流體無色、無味、無重量，且能由一個物質移動到另一個物質，他把這種物質稱為「卡路里」（calorie）。鐵所含的卡路里高，所以溫度較高，鐵遇到冷水時，鐵的溫度變冷，是將卡路里傳給冷水，最後兩者的卡路里趨於一致，卡路里就不移動，這是當時著名的「卡路里理論」。
最早質疑卡路里理論的是美國科學家蘭福勒（Benjamin Thompson Rumford, 1753-1814），蘭福勒在1798年為德國監製加農炮，他在炮筒上鑽洞時，發現炮筒溫度不斷地提高，起初他非常擔心，怕炮筒的卡路里不斷地散失到空氣中，炮筒鑄鐵冷卻後可能成為一堆廢鐵。但是，炮筒冷卻後功能依然不變，蘭福勒認為炮筒所溢出的熱，不是源自本身所含的卡路里，而是鑽洞時的機械旋轉與炮身鑄鐵的磨擦產生，所以熱是由機械作功轉換來的。蘭福勒後來製造了第一台的「壓力鍋」，不過他的脾氣也像壓力鍋一樣的火爆，別人對他敬而遠之，連帶使他的論點也乏人所知。
十八世紀末，工程師瓦特（James Watt, 1736-1819）製造蒸汽機，他用加熱的水產生推動力，將傳統的水力轉成蒸汽機械動力，但是蒸汽機的熱原理仍不清楚。
本質的突破
道爾頓鼓勵年輕的焦耳以「熱的本質」為研究的對象，道爾頓根據「原子論」，認為熱是原子的運動，熱傳導是原子運動的「能量」由一個物質傳到另一個物質。將熱由傳統的「卡路里」改為「能量」，是近代科學一個極大的突破，但這突破需要有極為精確的實驗去證明。「熱」的改變難以捕捉，需要有一個很有耐心的人去擔負這個任務，焦耳的一生承載了道爾頓老師傳遞過來的一棒。
焦耳的實驗裝置非常簡單，一個高度隔熱的圓筒水槽，水槽裡有二組轉槳，轉槳的上端接到一個旋轉的轉軸，轉軸上有一條鋼索纏繞，鋼索的一端經過一個滑輪，接上掛著一個已知重量的鋼錘，隔熱水槽裡插設一隻極為靈敏的溫度計。實驗的進行是，讓鋼錘自由落下，對旋轉的轉軸產生扭力，帶動轉槳。轉槳在水中與水磨擦產生的熱量，可由水溫的提高測得，將溫度的改變與水的比熱相乘後，焦耳發現單位機械作功所產生的熱量是一個定值，他稱之為「熱功當量」（mechanical equivalent of heat），這是一個從未被發現的常數。
科學突破常在冷門處
西元1842年，焦耳把研究寫成報告，投稿當時最著名的期刊皇家協會（Royal Society）的《哲學會報》（Philosophical Transactions），但是審稿委員拒絕刊登這種冷僻的研究題目。當時熱門的研究主題是電磁感應、公共衛生、潮汐發生的原因等。焦耳再向《皇家學會會訊》（Royal Society Proceedings）投稿，又被拒絕。他再退而求其次，向《哲學雜誌》（Philosophical Magazine）投稿，審稿委員要求焦耳再多做幾次實驗驗證所得。年少氣盛的焦耳拒絕，他回信道：「任何的機械能量釋出，最後都將轉換為熱量，能量不滅的法則有上帝的許可證，這是大自然最重要的法則之一。」這就是後來科學史上非常著名「能量不滅定律」（The Principle of Conservation of Energy）的前奏。有上帝許可證的，大多不能登上學術雜誌，焦耳又被退稿了。
真正的大師懂得欣賞
焦耳在走投無路之際，鼓起勇氣將這研究報告，連同他在1840年的一篇未投之稿，寄給當時的學術泰斗法拉第（Michael Faraday, 1791-1867），這兩篇研究報告在現在的課本裡仍然可以讀到。焦耳在1840年的第一篇研究報告結論：「電流在導線中所產生的熱量，是電阻乘以電流的平方」，後來被稱為「焦耳定律」（Joule's Law）。不同於其他的審稿人批評焦耳的實驗缺陷，或某些文字的使用失當，法拉第回信道：
親愛的先生：
我已收到你寄來的文章，並且立刻就看，感謝你對我們衷心所愛的科學有這麼美好的貢獻。何等的榮耀，我能在一息尚存之際看到你為電學有這一步的跨出，我已看出你的未來會更輝煌！我知道在這領域裡仍有許多朦朧不清之處，你的文章卻如同黎明初曉，我不得不說，你對這自然科學的領域，提供了非常重要的貢獻。
你忠實的朋友，法拉第上
1843年3月24日於皇家學院
生產不一樣酒的酒廠
有法拉第的背書，焦耳的這兩篇研究報告立刻被第一流的學術期刊《哲學會報》所接受。從此，科學界知道有一顆明亮的慧星，升自曼徹斯特的上空。焦耳的父親也看出端倪，他兒子關心的不是酒桶裡的液體，而是實驗槽裡加熱的水溫。父親為他蓋了間實驗室，並支持他的實驗費用。有一些年輕的科學家也利用這實驗室，與焦耳一起從事熱力學與流體力學的實驗，這些科學家後來都非常的有名，如物理學大師史托克（George Gabriel Stokes, 1819-1903），與絕對溫度的提出者凱爾文（或稱為湯姆生）（William Thomson Kelvin, 1824-1907）。
凱爾文是焦耳的終生好友，二個人經常聯合發表論文。在科學史上聯名發表論文，是由焦耳與凱爾文開始的。凱爾文是數學高手，能更深刻地闡述焦耳的實驗結果。
最早提出世界能源危機
西元1843年，焦耳以蒸汽引擎為研究對象，他發現當時最佳的「可尼斯蒸汽引擎」（Cornish Stream Engines）所產生的熱量換算成作功的機械能量，竟然是引擎實際作功的十倍。因此，蒸汽引擎百分之九十的作功能量是以熱的形式浪費掉了，最佳引擎的作功效率只有十分之一。這篇研究報告招致工業界長期的攻擊，甚至到1860年仍有人批評：焦耳只會用引擎作實驗，卻無法製造更高效率的引擎。焦耳對這一切的攻擊都未答辯，他注意的是人類更長遠的危機－「能源枯竭」。當時焦耳就計算英國的煤蘊藏量，推算在1965年，英國就會無煤可用，他建議國家要不斷地尋找取得能源的新方式。
好丈夫的溫度計
西元1847年，聖安德得烈大學（St. Andrews University）自然哲學系主任出缺，學校接受各方推薦，焦耳成為最佳候選人。但他卻拒絕前往任教，理由是：「我要結婚了，無法承受學校永無止境的芝麻問題」。當年8月18日，焦耳與葛萊姆絲（Amelia Grimes）小姐結婚，而後帶隻靈敏的溫度計與妻子到瑞士渡蜜月。在瑞士，他測定瀑布上方的水流溫度，與瀑布下方的水流溫度，焦耳認為瀑布沖下時的能量改變，會稍微增加水的熱量與溫度，但是在大自然下，還有許多其他的因素會影響水溫。焦耳常在不同的瀑布邊測定很久，葛萊姆絲了解丈夫對於研究的熱忱，經常坐在馬車上等待他的歸來。
能量觀點──物理學的大革命
婚後，焦耳更積極地投入熱的研究。1847年，他提出「電、磁、光、聲波、化學反應，是不同型態的能量。因此，根據能量的理論，物理的世界可以更單純的表達出來。」不過這觀念太新了，一直到1867年，崔特（Peter Guthrie Tait, 1831-1901）所著的物理學課本，才開始以能量的觀點去描述各種物理的現象。
焦耳愈研究熱的學問，他愈發現經由熱的角度去探索宇宙的奧妙將更清楚。1847年，他仔細地計算隕石在大氣摩擦中產生的熱，發現地球上空大氣層的厚度，剛好能提供足夠的摩擦阻力，將大部分的隕石化成灰塵，保護地球上的生命。焦耳寫道：「這個大自然，機械、化學與生物能量在時、空上不斷的互相影響著，但是宇宙仍然維持著秩序，並且清楚、確實地運轉。不管其間有多少能量複雜的變化，宇宙仍是穩定和諧的。」
不久，焦耳被歐洲最傑出的學術團體「杜林皇家科學會」（Royal Academy of Science, Turin）選為會員，這個科學會的會員包括傑出的科學家亞佛加厥（Amedes Avogadro, 1776-1856）與拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange, 1736-1813），英國入選的會員只有法拉第、天文學家赫歇爾（William Herschel, 1738-1822）與焦耳三人。
一生難照顧兩種不同的事業
西元1850年，焦耳入選為英國「皇家協會」的研究員。同年他發表「心臟的動力來自化學能量，使血液在血管中的流動，能夠克服血管對血液的摩擦阻力」。隔年，焦耳發表「純水是可以被電解的電解質」。
1852年，焦耳與湯姆生共同發表「氣體（二氧化碳）體積膨脹時，會產生溫度降低的效應」，後來這又稱為「焦耳－湯姆生效應」（Joule-Thomson Effect），這是冷凍工業發展的基石。為此，皇家協會頒贈焦耳「皇家金質獎章」，這個學術榮譽來的恰是時候。
1852年，焦耳的父親中風，釀酒廠的工作乏人照顧，生意一落千丈，釀酒利潤再也無法支持焦耳的研究，焦耳轉而向皇家協會申請研究經費。
人生有愛才能走出低谷
西元1853年6月，葛萊姆絲在生了二個孩子之後，第三胎是難產，孩子生下來幾天後就死了。因生產時流血過多，葛萊姆絲也瀕臨死亡。這時劍橋大學要聘焦耳任教，焦耳謝絕，他留在妻子的病床邊，直到1854年9月妻子病逝。焦耳在照顧妻子的過程中寫下：
「我的焦慮因妻子的安危而起伏，但是她在身體極度的軟弱中，仍顯出寬大的心胸與基督徒對生命任何遭遇的順服，讓我深深地感動，反而成為我在苦難中的安慰。」（1854年7月6日記載）
「我已盡醫生的指示照顧，妻子仍然極度的衰弱，再一次把自己放在智慧與慈愛的救贖主之手中」（1854年7月22日記載）
「她的身體好轉，能起床自己穿衣，我們談論過去一起照顧釀酒廠的點點滴滴，也期待以後一起騎馬在原野上奔馳」（1854年8月10日記載）
「我的妻子染上痢疾，我懷疑這是源自空氣中傳播的毒素。我與妻子每一天的相處比過去一星期的同住收穫更多。若非上帝的保守，三、四天前妻子似已走到生命的盡頭了。看她的狀況，我幾乎絕望了，但是我仍相信與祈求她將會好轉」（1854年8月25日記載）
「我世上最好的朋友走了，她將不再有痛苦，她死前是那麼安詳，我知道如今她與主在天上。我也知道死亡的狂飆不會將我擊倒，我相信主必堅固我，並照顧二個幼小的孩子。我彷彿看見死亡的苦毒之上有著荊棘的冠冕，這場試煉將帶著永遠的福祉。」（1854年9月9日記載）
照顧的價值
在看顧妻子的過程中，焦耳沒有發表任何的研究報告，也未在任何科學集會裡出現，妻子病逝後二年，焦耳在科學界裡仍然消聲匿跡。因為1854年10月，克里米亞之戰（Crimea War）開打，英軍死傷累累，焦耳將妻子埋葬後，轉而去照顧由戰地送回來的傷兵，與安慰他們的家屬。直到1856年4月戰爭結束後，焦耳才重返科學界。
以後數年，每年焦耳都會帶孩子到海邊渡假，焦耳寫道：「當科學研究成為我沈重的負荷，我格外的需要保留與孩子們在寧靜海灘邊的獨處。我也欣賞海鷗的飛翔速度，牠的翅膀是優美的生物引擎，發揮高度的能量使用效率。」
來自大地，回歸大地
西元1856年，焦耳發表〈以攝影技術研究流體在河底邊界層的摩擦研究〉。隔年又發表「從攝氏0度到攝氏4度時水的體積縮小，攝氏4度以上，水的體積又膨脹。水在攝氏4度時，密度最大。」
西元1858年，焦耳發表「都市污水最好的處理方法，不是直接倒入河川，而是排入土壤表面，成為土地所需的肥料。」當時的科學界認為研究都市污水排放是屬於「低層次」的研究，焦耳卻認為科學研究不分高、低級，而在「有系統的精確觀測」與「正確地思考問題的前提下，才能準確問出該問的問題」。雖然當時大部分的物理、化學學家不屑於污水的研究，但是焦耳認為污水中的肥料是有用的資源，資源取自大地，最好的處置還是回歸大地。
西元1859年焦耳發表〈物體在空氣中高速運動時表面的散熱作用〉。1860年，焦耳以傑出的研究獲選為「曼徹斯特文學與哲學學會」（Manchester Literary and Philosophical Society）主席，同時擔任聖安娜教會（St. Ann Church）的科學講座。
來自中古世紀的讀書會
「曼徹斯特文學與哲學學會」成立於1781年，是英國最古老的學術團體之一。這個民間的學術團體是源自十五世紀初期，有一批高立吉埃特教會（Collegiate Church）的基督徒，定期相聚討論書籍與知識。1427年這些人還成立一間圖書館，這是英語系國家最早的圖書館。
三百多年後，這個相傳多年的討論團體，才組成「曼徹斯特文學與哲學學會」。道爾頓與「土木工程學之父」司梅敦（John Smeaton, 1724-1792）都是這個學會的會員。四百多年來，該學會一直是曼徹斯特教會社區教育的中心，開設講座，並請傑出的科學家定期發表演講。
焦耳第一次的演講題目是「多元的可居世界」（The Plurality of Inhabited Worlds），焦耳提出：「也許科學家無法證明，其他的星球有沒有生命存在。但是科學家能夠證明其他的星球有沒有適合生命存在的環境：溫度、空氣、水、重力。有適合生命生存的環境，不一定就會有高等生物存在。而要有高等生命存在，就必須要有可以學習的場所，而這場所必須建立在一個大家能夠和平相處的社區環境裡。」
科學家的正義感
科學家不懂政治，但是科學家長年求真的學習，對於政治與社會公義是敏銳的。焦耳擔任文學與哲學學會的主席，就直批工業革命的一些負面現象，他說：「八十年來工業革命的悲哀，就是科學淪為一種市場交易，忽略人性的提升」。
1862年，美國發生南北戰爭，雖然曼徹斯特的紡織業受到北方海軍封鎖南方港口的影響，損失不少。焦耳依然力爭「支持北方」。同年，他的實驗室遭受一場火災，所有實驗設備全被燒毀，不久有人恐嚇他，要他滾出曼徹斯特，焦耳不為所動。
焦耳重建他的實驗室，繼續發表〈高度靈敏氣壓計的製造法〉、〈以空氣的熱脹冷縮與運動解釋氣候的穩定性〉、〈暴風雨、冰雹與閃電形成的熱機制〉等研究。
催生國家科學會
西元1870年以後，焦耳就很少發表新的研究報告，他仔細反覆地量測他年輕時所做的研究。為了量得更準確，焦耳研究精密儀器的製造法，並提出「精密儀器是提升科技教育與知識必需的工具」。焦耳像他的老師道爾頓，晚年全心致力於教育。
1872年，焦耳向政府建議成立「國家科學會」（Board of Science），主要的職責是：提供經費支助教師與民間人士，從事研究；支持國家對天文、地理、水文、氣候的長期觀測；成立國家科學史館，保存重要的儀器與研究報告；在大學裡設立國家級的實驗室。焦耳並且提出國家科學會的政治立場必須超然，而且研究計畫的資助與經濟發展無關，因為「每當科學研究往前進時，經濟發展自然會跟上」。不過他也建議國家科學會要考核申請者的經費是「為了研究所需，而非無限制的索求」。
西元1873年，經常性的流鼻血干擾了焦耳的研究能力。焦耳更經常帶著他的孩子與學生到海邊散步，他的學生中，後來最有名的是流體力學大師雷諾（Osborne Reynolds, 1842-1912）。焦耳在海灘散步，他觀察海藻並說：「低等生物對於高等生物有這麼多助益，生物學家卻大刀一揮，將那些生物定為低等。」有學生問他對演化論的看法，焦耳回答：「達爾文（Charles Darwin, 1809-1882）只是對地球生命的演變程序提出一種理論的說明，不幸的是，許多人要把他的理論訂為生物學的最終理論。達爾文沒有用演化論去談論生命的起源，眾人卻要把演化論扭曲成生命開始的理論。」
末了給學生的一封信
西元1882年，焦耳辭去「曼徹斯特文學與哲學學會」主席的工作，焦耳用「孩子們年幼嬌嫩，牛羊也正在乳養的時候，若是催趕一天，群畜就必死了」（聖經創世記三十三章十三節），做為他辭職的理由。他把人生最後的精華，慢慢地去培養他的學生，他只擔任學會圖書館館員的職務，介紹學生們如何使用圖書館。
焦耳病逝於1889年10月11日，死前留下一張紙條，寫著：「我已感到科學逐漸走向一個危機－科學的誤用。尤其將科學用在戰爭武器的研發，這將導致人類文明的滅亡。我深感難過的是，有些科學家認為研發毀滅性的武器是為了恫嚇對方，終止戰爭。這種看法是不合理的，因為戰爭的本質，只有殘忍與毀滅。研發武器的科學家也無法成為戰爭的決策者，最終只不過是好戰政治家的工具。
科學的誤用就是偏離了正確的目標，結果強者愈強，弱者愈弱。我的論點並非貶低以科學研發保衛國家的價值，而是批判靠科學來挑起爭端。」
末了，焦耳寫道「我的學生啊！若有人自認為了解歷史上的每一個大小事件，或能夠講出世界上的每一種方言，或能夠準確地敘述每一種形而上的觀念，或能夠解出所有科學與工程的複雜難題，但若是沒有愛，他將不知道如何把這一切所學放在正確的位置上。」
沒有留言:
張貼留言