秩序在宇宙中得到了明显的维持……由上帝的至高意志统治。
James Prescott Joule是一位英国物理学家、数学家和啤酒制造商，出生于Lancashire的Salford。Joule研究了热的性质，并发现了热与机械功的关系，见能量。这导致了能量守恒定律的发现，进而推动了热力学第一定律的发展。国际单位制中的能量单位焦耳就是以他的名字命名的。
他与Lord Kelvin合作开发了绝对热力学温度标度，后来被称为开尔文标度。Joule还观察了磁致伸缩现象，并发现了通过电阻的电流与散发热量之间的关系，这也被称为焦耳第一定律。他关于能量转换的实验首次发表于1843年。
早年经历
James Joule出生于1818年，是富有的啤酒制造商Benjamin Joule（1784–1858）和他的妻子Alice Prescott的儿子，出生地在Salford的New Bailey街。作为年轻人，Joule由著名科学家John Dalton指导，并受到化学家William Henry和Manchester工程师Peter Ewart及Eaton Hodgkinson的强烈影响。他对电学着迷，他和他的哥哥通过互相给对方和家仆放电进行实验。
成年后，Joule管理家族啤酒厂。科学仅仅是他的一项严肃爱好。大约在1840年前后，他开始研究用新发明的电动机替代啤酒厂蒸汽引擎的可行性。他在这个领域的第一批科学论文投稿给了William Sturgeon的《电学年鉴》。Joule是由Sturgeon和其他人建立的London Electrical Society的成员。
受到一位商人定量化成本的愿望的部分驱动，以及他科学好奇心的部分驱动，他开始确定哪种原动机效率更高。他在1841年发现了焦耳第一定律，即任何电流产生的热与该电流强度的平方成正比，乘以它所经受的导电阻力。他随后认识到在蒸汽引擎中燃烧一磅煤比在电池中消耗昂贵的一磅锌更经济。Joule用一个共同标准来衡量替代方法的输出——将重量为一磅的物体提升一英尺高所需的功，即英尺·磅。
然而，Joule的兴趣从狭隘的财务问题转向了从给定能源中能提取多少功的问题，这导致他推测能量的可转换性。1843年，他发表了实验结果，表明他在1841年量化的加热效应是由导体中产生的热造成的，而不是从设备的其他部分传递的。这直接挑战了热质论，该理论认为热既不能被创造也不能被摧毁。自Antoine Lavoisier在1783年提出以来，热质论一直主导着热科学的思维。Lavoisier的威望和Sadi Carnot自1824年以来热质论热机理论的实际成功，确保了在学术界和工程专业之外工作的年轻Joule面临困难的前路。热质论的支持者很快指出Peltier-Seebeck效应的对称性，声称热和电流在至少大致上是可逆的过程中可以相互转换。
热的机械当量
与他的电动机的进一步实验和测量使Joule估计热的机械当量为4.1868焦耳每卡路里，用来将一克水的温度升高一开尔文所需的功。他在1843年8月在Cork召开的英国科学促进协会化学部分会议上宣布了他的结果，却遭到了沉默。
Joule毫不气馁，开始寻求功转换为热的纯粹机械演示。通过将水强制通过有孔圆筒，他可以测量流体的轻微粘性加热。他获得了770英尺·磅力每英热单位（4,140 J/Cal）的机械当量。电气和纯机械手段获得的数值至少在一个数量级上相一致这一事实，对Joule来说，是功可转换为热这一现实的令人信服的证据。
无论机械力在何处被消耗，总是获得其精确等量的热。
Joule现在尝试了第三条路线。他测量了压缩气体所做功产生的热。他获得了798英尺·磅力每英热单位（4,290 J/Cal）的机械当量。在许多方面，这个实验为Joule的批评者提供了最容易的攻击目标，但Joule通过巧妙的实验消除了预期的异议。Joule在1844年6月20日向皇家学会宣读了他的论文，但他的论文被皇家学会拒绝发表，他不得不满足于在1845年发表在《哲学杂志》上。在论文中，他直言不讳地拒绝了Carnot和Émile Clapeyron的热质论推理，这种拒绝部分是由神学驱动的：
我认为这种理论……反对公认的哲学原理，因为它导致了这样的结论，即活力可能因为设备的不适当配置而被摧毁：这样Clapeyron先生推断出"火的温度比锅炉高1000°C到2000°C，热从炉子通过到锅炉的过程中存在巨大的活力损失。"相信摧毁的力量只属于创造者，我声称……任何当推导出来时要求力的消灭的理论，必然是错误的。
Joule在这里采用了活力能量的语言，可能是因为Hodgkinson在1844年4月向Literary and Philosophical Society宣读了Ewart关于《运动力的度量》的评论。
Joule在他的1844年论文中写道：
……转动磁电机器所施加的机械功转换为由感应电流通过其线圈所产生的热；另一方面，电磁引擎的动力是以工作电池化学反应产生的热为代价获得的。
1845年6月，Joule在Cambridge举行的英国科学促进协会会议上宣读了他的论文《热的机械当量》。在这项工作中，他报告了他最著名的实验，涉及使用下落的重物，其中重力做机械功，以旋转绝缘水桶中的桨轮，这增加了温度。他现在估计了819英尺·磅力每英热单位（4,404 J/Cal）的机械当量。他在1845年9月发表在《哲学杂志》上的一封信中描述了他的实验。
1850年，Joule发表了772.692英尺·磅力每英热单位（4,150 J/Cal）的精确测量，更接近二十世纪的估计。
接受和优先权
对Joule工作的大部分初期抵制源于它对极其精确测量的依赖。他声称能够测量温度精确到华氏度的1/200（3 mK）。这样的精度在当代实验物理学中肯定是不寻常的，但他的怀疑者可能忽略了他在啤酒酿造艺术中的经验和他对其实用技术的获取。他也得到了科学仪器制造者John Benjamin Dancer的得力支持。Joule的实验补充了Rudolf Clausius的理论工作，他被一些人认为是能量概念的共同发明者。
Joule提出了热的动力学理论——他认为它是旋转而非平移动能的一种形式，这需要概念上的飞跃：如果热是分子运动的一种形式，为什么分子的运动不会逐渐消退？Joule的想法要求人们相信分子的碰撞是完全弹性的。我们也应该记住，原子和分子的存在本身在另外50年内还没有被广泛接受。
虽然今天可能很难理解热质论的吸引力，但当时它似乎有一些明确的优势。Carnot关于热机的成功理论也基于热质论假设，后来Lord Kelvin证明了Carnot的数学同样有效，而不需要假设热质流体。
然而，在德国，Hermann Helmholtz同时意识到了Joule的工作和Julius Robert von Mayer相似的1842年工作。虽然两位男性自各自发表以来一直被忽视，但Helmholtz具有决定性的1847年关于能量守恒的声明对两人都有所肯定。
同样在1847年，Joule在Oxford举行的英国科学促进协会上的另一次演讲被George Gabriel Stokes、Michael Faraday和早熟且特立独行的William Thomson（后来成为Lord Kelvin）参加，他刚刚被任命为Glasgow大学自然哲学教授。Stokes"倾向于成为焦耳支持者"，Faraday"对其印象深刻"，尽管他心有疑虑。Thomson对此感到有趣但怀疑。
出人意料的是，Thomson和Joule在同年晚些时候在Chamonix相遇。Joule于8月18日与Amelia Grimes结婚，这对新婚夫妇去度蜜月。不管婚姻热情如何，Joule和Thomson安排在几天后尝试进行一项实验，以测量Cascade de Sallanches瀑布顶部和底部之间的温度差异，尽管这随后被证明是不切实际的。
虽然Thomson感到Joule的结果需要理论解释，但他退缩到对Carnot-Clapeyron学派的激烈辩护中。在他1848年关于绝对温度的论述中，Thomson写道"热或热质转换为机械效应可能是不可能的，当然是未发现的"——但脚注表明他对热质论的第一个疑虑，提及Joule的"非常显著的发现"。令人惊讶的是，Thomson没有给Joule发送他论文的副本，但当Joule最终读到它时，他在10月6日写信给Thomson，声称他的研究已经证明了热转换为功，但他计划进行进一步的实验。Thomson在27日回复，透露他正在计划自己的实验，并希望调和他们的两种观点。虽然Thomson没有进行新的实验，但在接下来的两年里，他对Carnot理论越来越不满意，并确信Joule的理论。在他1851年的论文中，Thomson仅愿意达成折衷，宣称"热的动力的整个理论建立在两个命题上，分别由Joule以及Carnot和Clausius提出"。
Joule一读到论文就写信给Thomson提出评论和问题。因此开始了两人之间富有成果的、尽管主要是书信往来的合作，Joule进行实验，Thomson分析结果并建议进一步实验。这种合作持续了从1852年到1856年，其发现包括焦耳-汤姆森效应，已发表的结果在很大程度上促成了对Joule工作和动力学理论的普遍接受。
动力学理论
动力学是运动的科学。Joule是Dalton的学生，毫不奇怪，他学到了对原子论的坚定信念，尽管他的许多同时代科学家仍然持怀疑态度。他也是为数不多的对被忽视的John Herapath关于气体动力学理论的工作有所接受的人之一。他还受到了Peter Ewart 1813年论文《运动力的度量》的深刻影响。
Joule认识到他的发现与热动力学理论之间的关系。他的实验室笔记本表明他相信热是旋转而非平移运动的一种形式。
Joule无法抗拒地在Francis Bacon、Sir Isaac Newton、John Locke、Benjamin Thompson Count Rumford和Sir Humphry Davy的著作中寻找他观点的先驱。虽然这样的观点是正当的，但Joule继续从Rumford的出版物中估计了热的机械当量值为1034英尺·磅。一些现代作家因为Rumford的实验毫不代表系统定量测量这样的理由而批评这种方法。在他的一个个人笔记中，Joule辩称Mayer的测量不比Rumford的更准确，可能是希望Mayer没有预期他自己的工作。
Joule被归功于在一封信中解释了日落绿光闪现现象，信件寄往Manchester Literary and Ph
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