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講 座@@@@@@@@@@@
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ジュールによる熱の仕事当量の測定実験
岡本正志（受取日：2002 年11 月5 日，受理日：2002 年11 月12 日）

The Experiments on Mechanical Equivalent of Heat by J. P. Joule
Masashi Okamoto(Received November 5, 2002; Accepted November 12, 2002)
Physics textbooks show Joule's paddle-wheel equipment in 1850 in relation to the law ofconservation of energy, but describe nothing about the background of his experiments. Joule
had made many kinds of experiments to determine mechanical equivalent of heat for a long
period from 1843 to 1878. Unfortunately, academic society had not appreciated his earlystudies, because the concept of calorique had still prevailed in the middle of 19c. Even after
clear evidence was presented, it takes a long time for the society to recognize a new scientificknowledge. This is a social nature of science, which should be emphasized in scientific education.

めの研究を行っていた。そこから電流のジュール効果を見

1. はじめにいだし，さらに熱の仕事への転化という考え方にたどりつ
エネルギー概念の学習には，ジュール（James Prescott

く。その転化の関係（仕事当量）を精密に調べたいとコツ

Joule, 1818.12.24-1889.10.11，Fig.1）による熱の仕事当

コツと測定実験を行い，結果を地元のマンチェスターや英量の測定実験が登場する。この実験は，これによってエネ

国科学振興協会（BAAS）の大会などで報告していたのでルギー保存則が確立されていく歴史的にも重要な実験であある。

るから，高等学校以降の物理学の教科書には例外なく紹介

最初の熱の仕事当量の測定実験は，1843 年に発表されたされている。しかし，その紹介の仕方はまことに単純で，がまったく注目されなかった。教科書によく掲載される羽例の羽根車実験の模式図とその説明が付け加えられている

根車実験の装置（Fig.2）は1850 年の論文に掲載されていだけである。そこにはこうした実験を行った背景やジューる図であって，かなり後の装置である。これに至るまでに，ルの苦労など，当時の科学者の営みは全く登場しない。し誘導コイルを使った実験，圧縮ボンベを使って空気の圧

たがってこれを読んだ者は，羽根車実験による測定結果が縮・膨張を利用した実験など様々な装置を工夫して，精密すぐに認められ，簡単に熱の仕事当量が確定されていったな測定データを求め続けていたが，当時の科学界でジューかのように受け取りかねない。良いアイディアを思いつけ

ルの研究に注目する者はいなかったのである。

ば，すぐにそれが大発見につながるようなイメージは，長

彼の実験は，今日から見ても高い精度を誇る見事なもの

い地道な努力や細かな改善を積み重ねながら営まれる科学であるのだから，もっと早く認められても良かったはずでの現実の姿とは随分かけ離れたものであり，錯覚だといっある。にもかかわらず認められなかった。いったい何故なてもよいであろう。

のだろうか。また認められるようになったのはいつ頃で，ジュールは，もともとは電気モーターの効率をあげるた

どういう理由だったのだろうか。

© 2002 The Japan Society of Calorimetry and Thermal Analysis.
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こうしたことは，単なる裏話だから余計なことだと思うの冒頭に光（ルミエール）と熱素（カロリック）を元素と人がいるかもしれない。しかしここには，科学のある一面，して掲げていた。こうした熱素説はラプラスやポアソンに本質的だが普段見過ごされがちな社会的な側面がよく現れ

よって数理解析的に洗練されたものとなって，19 世紀前半ていて，科学的な知識がどのようにして確立されていくのにいたるまで熱学の主要な理論となっていた。周知のようかを考えさせてくれるのである。

に，カルノーもまた熱素説に依拠しつつ『火の動力』（1824）

本稿では，普通の教科書では詳しく紹介されることのなを書いているのである。

いジュールの実験を振り返りながら，この点を検討してみところで，こうした熱素説に摩擦熱の現象をぶつけて正たい。また同時に，巷間に流布する通俗的な熱学の歴史も面から批判したのがランフォードやデーヴィらであり，そかなりあやしいものである，ということについても触れてこから熱運動論が熱学理論の主流となってきた，というのおきたいと思う。

が通俗的な理解であろう。それをランフォード神話 1) と言っておく。そこでは，ランフォードが大砲の穴刳り作業の

2. 熱の運動論的理解に関するランフォードの研究観察から，熱物質の存在に疑問をもち，運動論を提唱した

熱学の歴史に関する通説には，神話化したものも多い。

ことが熱運動論への転機となったとされている。

その代表がランフォードの研究に関する「神話」である。

大砲の穴刳り作業では，膨大な熱が発生する。それを見じつはやがてジュールも，熱の仕事当量に関する論文の中たランフォードは，穴刳り作業を水中で行ってみた。それ

でランフォードの研究にも触れて，自分の研究はそれをよ

でも熱が発生し続け，冷水が 2 時間半で沸騰したことや，り確かにしたものだ，と述べているので，まずこれに簡単

金属の削りくずの比熱に変化がないことなどを確かめたのに触れておくことにする。

である。大量の熱素が金属から移動したことで熱が発生し熱は熱素（カロリック）という小さな元素によるものだ，というのが熱物質説である。かのラヴァジェも彼の元素表たのなら，削りくずの比熱が変わっているはずだから，熱素の源はそこではない。また，熱はまったく減衰せず発生し続けたのだから，有限な金属筒そのものも熱素の源ではない等々と，まことに明確な実験事実のもとに，ランフォ
ードは，発生する熱の原因は運動そのものにあるのだ，と主張したのである。
ではこのランフォードの研究によって，熱素説は大きな打撃をうけ，熱運動論にとってかわられたのだろうか。
このランフォードの研究は1798 年に出版されている。したがって，このような通俗的な熱学史によれば，19 世紀前
半にラプラスやポアソンが熱素説の数理解析的理論を創りあげたことも，カルノーが熱素説に基づいて自己の理論を書いたことも，ずいぶんおかしな話となってしまう。後の節で詳しく紹介するが，W. トムソンが1847 年にジュール

Fig.1

James Prescott Joule, from the front page of The
Scientific Papers (1884).

の研究発表を聞いた時，ジュールが間違っているのではな

h

c

a

f

a
b

b

c

b

c

dd

dd

b

c
dd

dd
e
e

k
f

k

Fig.2

Perspective view of the apparatus of the paddle-wheel experiment (1850).

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いか，と思ったのも，トムソンが熱素説の立場に立っていたからであった。
こうしたことを見ると，上に見た通俗的なランフォード
神話は，なにやら怪しげであることが見えてくる。ランフb

ォードがそうした主張をしたことは事実であるが，だからaといって熱運動論が主要な理論となったわけでなく，むしろそれを克服する形で熱物質説が完成されていたのが歴史的な事実である。一つの実験事実で，既成の主要な理論が転換するなどということは，そう簡単にありえることではFig.3ないということも知っておく必要がある。
ランフォードの研究に対する熱物質派の見解は，静電気

Joule's first experiment on mechanical equivalentof heat by using electro-magnetic induction

現象のアナロジーで考えればわかりやすい。摩擦熱の発生と同じように，静電気も摩擦によって生じる。しかしそのると，その結果，化学変化あたりに発生する熱が減少する

解釈は，摩擦による電気的物質の偏りによって生じる現象であろう。そしてこの減少量は，得られた機械的力に比例だというもので，摩擦という運動に電気現象の本質があるするだろう （1841 年1 月）と考えていたのである。こうした考えを実証しようとしたのが，この43 年８月の実験であというものではない。
であるなら，摩擦熱もまったく同じように「熱素の偏り」

る。論文は次のように始まっている。

だと考えることができるはずである。むしろ，静電気は電

磁電機械の作り出す電気力が，他の原因から生じた電流気を担う物質によるのであり，熱は運動だという方が論理と同じように回路のいたるところで熱を発生させる性質を的一貫性を欠いていることになるだろう。こうして，熱素もつことは，疑問の余地がないものと，かなり一般的に認説は摩擦熱というアキレス腱に対しても，それを理論的にめられていると思う。また確かに，熱は物質ではなく振動克服してしっかりと生き延びていたのである。

状態だと考えるなら，単なる力学的な作用によって，たとえば銅線でできたコイルを永久磁石の磁極の前で回転させ3. 最初の実験−誘導コイルを利用した熱の仕事当量の測定るというようなことによって，熱が作り出されないとする
理由は何もないように思える。それと同時に，これまでのジュールによる最初の熱の仕事当量の測定実験は1843 年

ところどの実験も，この非常に興味深い問題について決定

８月21 日に，英国科学振興協会大会の化学セッションで発的な結果を与えていない …これまでの実験はどれも回路の表された。論文はその年のPhilosophical Magazine, Ser.3,

特定の部分だけに注目しており，観察される熱が，生み出

2) 論文はVol.xxiii (1843）に3 回に分けて掲載されている。

されたのか，それとも，磁電気が誘導されたコイルから運2 部構成となっていて，第1 部は「磁電気の発熱作用についばれただけでコイル自体は冷たくなっているのか，について」，第2 部が「熱の仕事当量について」である。なぜ第1て不確定のままにしているからである。 3) （下線は原文イ

部があるのだろうか。じつは，これこそ実験の本当の目的タリック）だったのである。

科学史的にはまことに興味深い文章である。この実験は，ジュールがこの実験を行った理由は，熱がはたして生み

単に熱の仕事当量を測定するために企てられたものという出されるものかどうか，を確証したいということであった。

よりは，熱素説が正しいのか，熱運動説が正しいのかを確先述したように，熱現象を熱素という熱物質で説明する立定するべく計画された実験であることが明白に分かるので

場（熱素説）と，運動によって生み出されるものだとするある。

立場（熱運動説）とがあったが，当時はまだ決着がついて実験は，Fig.3 の装置で行われた。考え方の基本は，外部いなかった。

磁界の中で誘導コイルを回転させ，そこで発生した誘導電ジュールは，第1 節で述べたように，モーターの効率を流による発熱効果を測定しようというものである。

調べていたので，電流の発熱作用に気づき，そこから発熱

Fig.3 のa, b は木製の回転軸。a の上にある横長の筒は中量が電流の2 乗に比例すること（いわゆるジュールの法則）に水を満たしたガラス管で，その中に小さな電磁石を入れを発見していた。そうした実験の中で，このような発熱のる。これが誘導コイルとなる。a の下端には半円形の溝に水原因について，もともと電池の中で化学的に生じたはずの銀を入れた整流子が設置してあり，電磁石のコイルから出熱が，電流に媒介されて形を変えて現れたのではないかとた導線とガルヴァノメータとがそこで接続できるように工思いつく。それなら， 電池を含む回路中にモーターを入れ夫されている（図をよく見られたい）
。

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ガラス管の外側はすず箔でおおい，さらに1 インチほどの隙間をあけて円筒形の木片をかぶせてある。その上からさらにフランネルの布を巻き付け，布には十分にワニスを塗ってある。こうして，熱放射や，回転中に生じうる空気の対流などの影響を除去して断熱性を高めているのである。
すず箔も，ガラス管の方向に一部を切断して隙間をつくって，回転した際にすず箔内に磁電流が生じないように配慮している。
熱の仕事当量の測定はかなり高い精度の実験技術を要す
Fig.4 Apparatus for measuring mechanical works.

る。ジュールの測定は，後には温度で200 分の1 華氏までの精度を誇っているが，その裏には周到に準備されたアマ

せるに必要な仕事量との関係がこれで求まるわけである。

チュア科学者とは思えない実験技術があることが分かる。

これは，後に羽根車実験でも使われた方法である。

このガラス管を囲むように大きな電磁石を置き，ガラス
管を回転させて発生した誘導電流による発熱効果を，水のこうした実験装置によって，彼はまず，誘導電流による温度変化によって求めようとしたのが，この実験である。

発熱が，ガラス管内のコイルにおいても通常電流とまった発生した誘導電流はガルヴァノメータで測定するが，メーく同じ原理で生じていることを確認している。したがって，

タがこの大きな電磁石の影響を受けないように離れた位置

最初に彼が述べた， 観察される熱が，生み出されたのか，に置かれて，その他あらゆる予防措置をほどこしたとジュ

それとも，磁電気が誘導されたコイルから運ばれただけでールは述べている。

コイル自体は冷たくなっているのか という問題提起に対実験は，まずガラス管を装置からはずして，電磁石と水して，熱がコイルから移動したのではなく， 生み出されを入れ，熱が均等になるまで水をかき回した後，1/50 °Fまた ことを明らかにしたのである。しかも，それはコイルで判読できる鋭敏な温度計で水温を調べる。温度計についの回転という力学的仕事によるものであった。それによっては，この論文ではこれ以上詳しい記述はないが，後に紹て熱が発生すれば，熱運動論の証明であり熱素説に対する介する空気の膨張・圧縮実験論文では，鋭敏で正確な温度反論となる。これはジュールにとっても重要な事実であっ計を準備することが大変だったと述べている。水温を測定

たが，歴史的にも熱運動説を立証する重要な実験の一つとした後，グリースを塗った紙で何重にも覆ったコルクでガなっているのである。

ラス管の蓋をし，装置に設置して15 分間回転させる。そのもっともジュールは，そうした熱の生成を電気が媒介し間，ガルヴァノメータの振れと室温を注意深く記録，最後ていると考えていたようで， 磁電気のうちに，単なる機械に先の鋭敏な温度計で水温の変化を検出した。

的手段で熱を破壊したり生み出したりできる力（エイジェ

さらにジュールは電池と外部電磁石の接続を断った実験ント）をもっている 5)と言っている。これも，科学史的にも繰り返して行い，誤差を補正できるように工夫したのでは興味深い。今日の私たちなら熱運動論が当たり前である

4) 彼のデータを一部紹介してみると，4 月15 日午後のある。

ので，このような実験を見ると何の疑問もなく機械的仕事

測定：電池を接続せずの場合，電磁石の回転数／分 600，が熱になったとみてしまう。しかし，新しい考えを創り上

電流計の振れ 0 °，平均室温 54.69 °，平均室温とガラス管げつつあった当事者たちは，納得いく説明をするために内の平均水温の差 ＋ 0.19 °，水温（回転前 54.90 °，回転後様々に考えを巡らす。熱運動論が常識ではなかった時代背，0.05 °減少）
，電池を接続すると，同じ回転数で，54.85 °

景を考えてみれば，ジュールのこうした考えが，この実験

電流計の振れ 21 °0 ′
，平均室温 54.67 °，平均温度の差の解釈として十分に成り立つことを理解しなければならな，水温（回転前 54.85 °，回転後 54.88 °，0.03 °増
＋ 0.20 °い。

加）となっている。こうした実験を何度も繰り返し，そこ

教科書的な説明では，一つの実験から簡単に法則が導きから補正値を求め，発熱に関するジュールの法則を確認す出される。しかし，そうしたことは認識論的には殆どありる表が続いている。

えない。これは，科学者が新しい理論を創り上げていくとガラス管の回転に必要な仕事量は，回転ハンドルの軸きばかりでなく，新しい理論を学ぼうとしている人々にと（Fig.3 のb）におもりを付けた糸を巻き付け，おもりを落下っても同じである。そうした意味でも科学史を学ぶことがさせて回転させることで測定する（Fig.4）。おもりの重さ重要なのだが，教科書的な科学史では肝心のこの点が欠けと落下距離から，力学的な仕事量は測定できる。温度変化

落ちているのである。

の原因は，回転による誘導電流しかないのだから，回転ささて，こうして力学的仕事によって熱を生み出すことが

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ジュールによる熱の仕事当量の測定実験できることを確認したジュールは，第2 部において，このュールの見方を支持するデータとなる。しかも，水の摩擦

熱と力学的仕事との間に， 一定の比が成り立っているのか

による発熱では電流という媒介を使っていないという点で，どうか 6) を明らかにする。これが，熱の仕事当量の初めて熱の生成は純粋に力学的な仕事によるものである。

の測定実験である。

ジュールは， この結果は，われわれの以前の結論を非常測定装置は，先述したように Fig.4 である。測定結果は，に強く確証するものと認められるであろう と述べている。

1 ポンドの水の温度を華氏1 °だけ上昇させる熱量で，何ポ

さらに，それに続けて 自然界の重要な諸力は，創造者の命

ンドの水を1 フット持ち上げられるかで表している。

令により不滅であること，そしてまた機械的力が消費され彼は13 回の測定を繰り返し，838 ポンドという値を求める時にはいつでもそれに厳密に等しい量の熱が得られる 8)ることができた。現在の単位 J cal−1 に換算すると，1 ポンと述べて，仕事が熱に変換されることを主張した。補遺のド＝ 0.4536 kg，1 フット＝ 0.3048 m，英国の重力加速度

最後では，今一度明確に次のように述べる。

g ＝ 9.8118 m s −2, 1 ℃＝ 5/9 °F だから

今は思い切って，もっと明確にこう言おう。電流の強さを，したがって発生する熱の量を決定するのは，正確には838 フィート・ポンド＝親和力なのではなく，むしろ原子がお互いに接近する時に(838 × 0.4536 kg × 9.8118 m s −2 × 0.3048 m)/

消費される機械的力なのである，と。 9)(0.4536 × 1000 g × 5/9 ℃) ＝ 4.511 J cal−1

しかし当時の多くの科学者は，二つの値（838 ポンドと

これは，今日の値にかなり近いデータだということがで

770 ポンド）をほぼ等しいとは評価しなかった。先述したきる。しかし彼のこの研究は，当時完全に無視されたのでように，彼の実験は完全に無視されたのである。したがっある。

て，ジュールは更に実験を重ねて正確なデータを取らなけ

なぜ，無視されたのだろうか。一つは，彼が控えめなア

ればならなかった。

マチュア科学者だったからであり，二つ目には当時の科学

4. 空気の圧縮・膨張による測定実験界の人々が彼の実験そのものを疑ったからである。
ジュールは，マンチェスターの裕福な醸造業者の次男坊1844 年（論文45 年 10) ）には，空気の圧縮・膨張を利用として生まれたが，体が弱かったこともあり学校へは行かした測定実験を行っている（Fig.5）。この実験は，仕事のず自宅で学習している。自宅や工場に実験室をつくり，そ

熱への転化の際の当量ばかりでなく，その逆の過程，すなこで科学実験を続けた。したがって高度な科学の訓練を受

わち熱の仕事への転化の際の当量をも測定し，両者が同じけておらず数学的な力も弱かった。19 世紀に勃興しつつあ

値であることを示した重要な実験であった。しかも，熱素る新しい科学の状況は数理的な側面が強くなってきていて，説をも決定的に反証した実験でもあった。

学会で発表しても，時代遅れのスタイルに見えたに違いな

空気の圧縮実験は，圧縮ボンベ（R）とピストン（C）を，い。
実験データにも問題があった。この実験で得られた値を見てみると，896, 1001, 1040, 910, 1026, 587，5 回の平均742，2 回の平均860，全13 回の平均838 ポンドとなっている。上は1040，下は587 とデータのバラツキが多く，当然，これを単純に平均することへの疑問があがる。彼が無名のアマチュアであったために，科学に無知な青年の稚拙な計算だと思われたに違いない。
ジュールは，さらに一ヶ月後，水の摩擦による発熱を利C用して同様な仕事当量を求めて，この論文の補遺としてい

A

W

G

7) この実験装置の図は掲載されていないが，彼の説明にる。

よれば，7 ポンドの水の入った円筒形のガラス瓶内で，多数Rの小さな穴をあけたピストンを動かして，発熱を測定したSものである。
得られた値は770 ポンド（J ＝ 4.15 J cal −1）。これは微妙Bな値である。誘導コイルの回転による発熱と水の摩擦でのFig.5

発熱という異なった二つの変換過程で，測定された仕事当
量がほぼ等しいとすれば，熱と仕事が等価であるというジ

（5）
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203

Experiment for expansion and compression of
the air.

講

座

膨張の実験は，圧縮ボンベをバルブs を介して同体積の真空容器につないで行い，あるいは空気中や水中に放出したりして行っている。
Fig.6 は同体積の容器につないだ状態，Fig.7 は水の中に圧縮空気を放出するための装置である。この場合，ボンベ
Rに鉛製の管コイルをつなげ，やはり水の入った熱量計に入E

れて水温を測定している。これで得られた値は820 ポンド（＝ 4.41 J cal−1）である。
彼は，こうした空気の圧縮・膨張実験を何回か繰り返し，
823，795，820，814，760 ポンドの値を得た。ジュールは最後の三つが，誤差がもっとも少ないとしてその平均値

D

798 ポンドを求めている。
山本義隆氏は，この1845 年論文こそ熱学史において重要
Fig.6 A pair of copper reservoir of the air.

な意義をもつものだと高く評価している。13) それは，一つには，この実験で断熱変化に対する熱素説が最終的に否定されたからである。
熱素説では，気体の断熱膨張を説明するために，気体の含む全熱量の一部は気体分子に束縛され，残りは自由であって，この自由熱素の多少が温度を決定していると考えられていた。気体を断熱膨張させると，膨張に伴って気体分子に束縛される熱素が増えて自由熱素が減少する，そのため温度が下がると説明していたのである。この場合，束縛される熱素が潜熱となっていくわけである。ところが，ジュールのこの実験では，全体として温度は下がらなかった。

Fig.7 Apparatus to rarefy the air into the water.

Fig.6 の場合，ボンベR から真空にしていたボンベE に気体を膨張させると，R の温度は下がるがE の温度は上昇する。

水を入れた熱量計の中に入れて，ピストンで空気を圧縮す

そうして全体としては，体積は2 倍になったが温度は変化

ると温度が上がる。圧縮前の水温と圧縮後の水温を測定すしなかったのである。これに対するジュールの解釈は， 力ることで，発生した熱量を知ることができる。

学的仕事をともなわずに膨張させても，温度変化は生じな

図のW は定温水槽，G は乾燥剤の塩化カルシウムを入れい14) というものである。それゆえ，こうした熱素説によた容器で，圧縮する空気を良好な状態にするように配慮さる説明そのものが破綻していることが明らかにされたと山れている。しかし空気の温度変化を水に伝えて，水の温度

本氏は評価するわけである。

変化として読みとるのは，ずいぶん大変である。空気の温

じつは，Fig.6 の実験は，ゲイリュサックが1806 年に行度が上がっても，水の比熱がかなり大きいためになかなかった実験と同じものである。ジュールはそれとは知らずにその変化が現れない。精密な温度測定技術を持っていて初実験して，熱素説で未解明であったこの実験を，熱運動論

めて可能となる実験である。先に述べたように，彼はこのの立場から解明したのである。

測定のための水銀温度計を準備するのに非常に苦労していまた，山本氏は，ここで初めて「熱→仕事」の変換係数る。そのために，マンチェスターのDancer 氏に作ってもらの測定がなされて，「仕事→熱」の場合の仕事当量と同一の

11) こうして作っった道具を使って製作したと述べている。

値が得られたことで，熱と仕事の真の互換性が実証されたた温度計を他の温度計と比較しテストした後に測定に使っ実験になったとも指摘している。15) 圧縮ボンベ内の空気をている。彼は練習の結果，裸眼によって温度計の1 目盛りの空気中に放出すれば，大気圧下での体積増加によって，外20 分の1 を読み取れるようになったので，200 分の1 度まに対してした仕事量を求められる。一方でボンベ内の温度12)で温度測定できたという。

低下が生じているから，これは熱がなした仕事だと認めら

空気圧縮のための仕事量は，水銀柱で空気の圧力を測定れるわけである。そうして求めた仕事当量の値は，820 ですることで求めている。こうして，得られた熱の仕事当量のあり，逆の場合（823）とほとんど一致していた。ジュール

値は823 ポンド（＝ 4.43 J cal−1）であった。

のこの実験は，歴史的にきわめて重要な実験だったわけで

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ジュールによる熱の仕事当量の測定実験ある。

a

しかし，それでも彼の実験は無視され続けた。

gf

5. 羽根車による熱の仕事当量の実験
d

第1 節で述べたように，ジュールによる熱の仕事当量のa

測定実験といえば羽根車実験，と言われるほど有名な実験cebである。水の中に羽根車を入れて撹拌し，その摩擦熱による温度変化を精密に測定したことは周知の事柄であろう。
羽根車の回転に要した機械的仕事量は，おもりの落下によって得られる。前にみた誘導コイルの回転の時と同じ原理である。1845 年に最初の羽根車実験を行ってから1878 年
まで何度も繰り返しこの実験を行っている。
水を撹拌して生ずる温度変化を測ろうとすれば，きわめFig.8 Experiment on the heat of friction of irons.

て精密な実験を行わなければならないことは容易に想像できる。装置の断熱性においても，温度測定においても高いを次のように回想している。

実験技術がなければできるものではない。
第4 節でみた1845 年の実験では，温度計は彼が製作した

その時ある分科会で私は，ごく控えめな若い人が論文をように書いていたが，この論文では温度計については，2 本発表するのを聞いたのであった。その人の態度には，これをDancer 氏に造ってもらい，1 本はパリのFastré 氏の製作から発表することが偉大な考えであることを意識している

16) それぞれ非常に正確で，3 本を比によると明記している。

様子は見られなかった。ところが，私はその論文からとて較した結果100 分の1 華氏の範囲で一致したという。彼はつもない衝撃を受けた。初めのうち私は，それは正しいは

ここでも20 分の1 目盛りまで裸眼で読めるようになったのずがないと思った。なぜならそれはカルノーの理論とは食で，200 分の1 °F まで読めると述べている。17)

い違っていたからである。論文の発表が終わった直後に，
著者のジェームズ・ジュールと少し言葉を交わした。 19)

この実験で得られた仕事当量の値は，890 ポンド（＝ 4.79
J cal−1）であった。

トムソン自身はクラペイロンを通じてカルノー理論を学

こうして，誘導コイル，細管による水の摩擦，空気の圧んでおり，熱素説の立場で熱の保存を信じていたから，熱縮，羽根車と，種類の異なった実験による測定結果が集まが消費されて仕事になるとは到底信じられなかった。しかった。それぞれ838，770，798，890 という値である。

し，液体の摩擦によって熱が発生したことを重要な発見だ

ジュールは，論文の結論として，このような極めてデリとみなして，ジュールの実験に興味をもち評価したのであ

ケートな実験では，これ以上のデータの一致を期待するこる。彼は，7 月1 日に父に送った手紙の中で次のように述べ

18) やはりまったく無視された。
とは無理だと述べたが，ている。

したがって，さらに正確な値を目指して実験を続けねば

私は，ジュールは多くの点で間違っていると確信していならなかったのだが，これほど高い精度の測定が実際に可ます。しかし，いくつかの非常に重要な事実を発見したよ

能だとは，当時の人々にはとても思えなかったことも，彼うに思われます。たとえば，熱が液体の摩擦で生成されるの測定結果が認められなかった理由の一つである。

などということです。 20)
こうしてトムソンとの出会いによって，ジュールの研究

6. W. トムソンとの出会いが注目を浴びるきっかけが生まれたが，重要なのは，彼が彼のこうした仕事が多くの科学者に認められるようにな

その後トムソンと共同研究を行い，科学者社会の他のリーるのは，W. トムソンがその重要性に気づいてからのことでダー達とも交流することができるようになったことである。

ある。トムソンによって注目されたのは1847 年6 月であっトムソンは，ケンブリッジを優秀な成績で卒業した俊英た。この年ジュールは，英国科学振興協会化学部会での発で，その当時22 歳であったがすでに26 本の論文を刊行し表を断られ，数学・物理学部会で発表することになった。

ていた。ジュールは彼と知り合えたことにより，当時の科司会者は彼に発表を簡単に要約して済ますように促し，コ

学界のリーダーたちと自分の実験について議論する機会をメントなしで次に移ろうとした。その時，会場で一人の若持つことができたのである。

者が立ち上がって彼の発表に興味を持った旨の発言をした。
それがW. トムソンであった。W. トムソンはその時の模様

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羽根車による撹拌実験は，45 年1 回（水），47 年3 回（水，鯨油，水銀），48 年1 回（水），50 年2 回（水，水銀）と合

205

講

座

外部レバーによって接触させて，摩擦熱を発生させる仕組みである。図の上は容器の内部，下は容器の外側の図を示
e

d

している。
この実験でも様々な影響が考慮されているが，特に鉄が接触して摩擦する際に発する音のエネルギー損失まで計算

fb

されているのである。計算は，チェロの弦で，この時の音gと同じ高さの音を発生させることで求めている。
c

全部で20 回の実験を繰り返し，得られた仕事当量の値は，
o774.987 ポンドであった。

a

j

h

8. 最後の羽根車実験j

ジュールは，1867 年に電流による発熱で仕事当量の値をw求めてから，しばらくこの実験から遠ざかっていたが，v

1878 年になって，ふたたび羽根車実験を行い，仕事当量の値を求めている。これは，英国科学振興協会の電気抵抗の標準に関する委員会の要望に応えてのことである。ジュー
ルが，1850 年に求めた仕事当量の値772.6 と，1867 年に電k流の発熱によって求めた値782.5 との差異に困って，より

k

正確な値を求めることになったのである。

a

実験の基本的な考え方は1850 年と同じで，羽根車によって水を撹拌し，発生した熱量を求めるものである。しかし
羽根車の回転をおもりを落下させて行う仕組みにはなって
Fig.9 The last paddle-wheel experiment by Joule.

いない（Fig.9）。図の二つのおもりは熱量計外側の溝に絹糸で巻き付けられているだけで，羽根車の回転は，おもり

計7 回繰り返されているが，ひとたび注目を浴びるようにの高さが一定になるように調節しながらハンドルを操作しなると，それまで不信感をもたれていた測定精度は，逆にて行う。w, v は水圧支持台（hydraulic supporter）で，w

すばらしい精度だと評価されるようになった。

とv の間に水を入れて，熱量計の重さを支えている。21)

彼が無名の間は，あまりに高すぎる精度が不信感を呼ぶ

水を満たした熱量計の質量をはかり，回転軸に取り付け原因の一つとなっていた。ところがいったん評価が変わる

た後，絹糸をかけておもりに結ぶ。水の温度を測ってからと，この精度の高さは賞賛の的となり，すばらしい実験だ

ハンドルを回して羽根車で水を撹拌し，温度を測定するとと見なされるようになる。ほとんど同じ精度のデータが示いう手順である。

されていたにもかかわらず，こうした正反対の評価が下さ実験は1 〜 5 として，各実験で20 回も行うという念の入れたことが興味深い。精密なデータが必ずしも理論形成にった測定である。これで得られた値は772.55 ポンドであっ反映するわけではなく，科学者集団の認識論的な文脈の中た。

でデータが読み込まれることをよく示している。

9. おわりに

7. 固体の摩擦による発熱実験

科学・技術の社会的な影響が大きくなった今日では，科Fig.2 の有名な実験が報告された 1850 年論文の最後に，鉄の摩擦による発熱実験が紹介されている。

学や技術の営みについて深く理解することが求められている。しかしわが国の学校教育では，これまでそうしたこと羽根車による水の撹拌実験を行った後，ジュールは水をにあまり重点が置かれてこなかった。そのためか，科学史入れていた同じ鉄製の容器に水銀を入れて，水銀の撹拌実的な事柄について正しく触れられることがあまりなく，熱験に拡張している。まったく同じやり方で水銀の撹拌によに関する科学史的な事柄についても必ずしも正確に伝えらる熱の仕事当量を測ったのである。得られた値は774.083

れていない。本稿で紹介してきたジュールによる熱の仕事

ポンドである。そしてさらにそれから発展させたのが，こ当量の実験も，羽根車の回転による水の撹拌実験以外はほの鉄の摩擦による測定実験である（Fig.8）。

とんど触れられることがない。

水銀を入れた鋳鉄製の容器内に回転する円板e, b を入れ，206

しかし，見てきたように，熱の仕事当量の測定実験は，

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ジュールによる熱の仕事当量の測定実験

実験の方法や回数，個々の実験に対する周到な配慮など，

3) The Scientific Papers, pp.123-4. 邦訳『近代熱学論集』p.335.

通常語られない部分にこそ，ジュールの誠実でねばり強い

4) Ibid., p.127, 邦訳 p.338.

科学者としての営みが現れている。この実験のためにジュールがいかに苦労し努力したか，そうした点にも科学の歴

5) Ibid.., p.146. 邦訳 p.355.

史から学ぶことが大きいのではないだろうか。

6) Ibid., p.149. 邦訳 p.358.
7) Ibid., pp.157-9. 邦訳 pp.365-7.

また，ジュールが当時としては最高のレベルの精密な測8) Ibid., pp.157-8. 邦訳 p.366.

定を行っても，まったく無視されていたことなどは，科学の営みと科学的知識の社会的性格が如実に反映されていて，科学をメタレベルで理解する上でも興味深い点である。
ともすれば，科学は一人の天才の孤独で数奇な営みだと

9) Ibid., p.158. 邦訳 ibid.
10) On the Changes of Temperature produced by the
Rarefaction and Condensation of Air, Phil. Mag.
ser.3, 1845.「空気の希薄化と圧縮により生じる温度変捉えられるが，現実の科学は，むしろ集団的で社会的に営化について」

まれている。たとえ素晴らしい発見をしたとしても，それ

11) The Scientific Papers, pp.174-5.
12) Ibid., p.175.

が社会的に認知されなければ，知識として成立することはない。社会的に認められるためには，学会で発表し論文と13) 山本義隆, 前掲書, p.345.
14) The Scientific Papers, p.182.

して公刊し，多くの人に自らの説を説得力をもって示さなければならない。科学の知識は，そうした集団的な営みの山本義隆, op. cit.
The Scientific Papers, p.302.
Ibid., p.303.
On the Existence of an Equivalent Relation between
Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power,
The Scientific Papers, p.204.
19) Alex Wood, Joule and the Study of Energy, G.
Bell & Sons. Ltd., p.54 (1925).
20) D. S. L. Cardwell, James Joule: A Biography,
Manchester U.P., p.85 (1989).
21) The Scientific Papers, p.650.

15)
16)
17)
18)

中で鍛えられ発展しているといえる。ジュールの業績をたどってみると，一人のアマチュアがやがて科学者集団の中で認められ，歴史に残る科学者となっていったことがよく分かる。こうしたことを同時に学んでこそ，科学への興味が増し，深い理解につながるのではないだろうか。
もっとも，残念ながら日本語で読めるジュールの本格的な伝記さえまだないのが，わが国の科学史の状況である。
熱学を志す多くの方が，科学史にも興味を持って下さることをお願いしたい。
【註】
本稿の図版とジュール論文については，すべてジュールの科学論文集，The Scientific Papers of James Prescott
Joule, Vol.1, The Physical society of London, Taylor

岡本正志 Okamoto Masashi
京都教育大学教育実践総合センター教授

and Francis, 1884 を使った。

文

献Center for Educational Research andTraining, Kyoto University of Education
Tel.075-644-8806, Fax. 075-644-8339
e-mail: okamotom@kyokyo-u.ac.jp
研究テーマ：電磁気学史におけるマクス
ウェリアンの役割，科学史からみた科学
教育および総合学習論
趣味：囲碁。古民家修理。農村アカデミーの立ち上げを計画中。

1) 山本義隆, 『熱学思想の史的展開』, 現代数学社, p.232(1987).
2) On the Calorific Effects of Magneto-Electricity
and on the Mechanical Value of Heat.「磁電気の発熱作用について，および熱の仕事当量について」邦訳
が『近代熱学論集』（朝日出版社，1988）に収録され
ている。

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