焦耳的科學(xué)研究故事

　　焦耳是一名英國的物理學(xué)家，下面小編為大家帶來(lái)了關(guān)于焦耳的科學(xué)研究故事，歡迎大家閱讀，希望能夠幫助到大家。

　　焦耳的故事

　　焦耳（1818～1889）是英國人，1818年12月24日出生在曼徹斯特市一家啤酒廠(chǎng)主的家庭里，從小就跟著(zhù)爸爸釀酒，沒(méi)有進(jìn)過(guò)學(xué)校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書(shū)，常常一邊勞動(dòng)一邊認字，自學(xué)到不少知識。后來(lái)，他幸運地認識了著(zhù)名化學(xué)家道爾頓教授，便常常到他那里請教。從此，焦耳對自然科學(xué)，特別是實(shí)驗科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

　　有一次，焦耳與哥哥一塊找來(lái)一匹跛馬，把電流通到馬身上，馬受到刺激便狂跳起來(lái)。焦耳記下電流的大小和馬的狂跳程度，說(shuō)這是用馬來(lái)觀(guān)察電擊實(shí)驗。還有一次，焦耳用火藥槍發(fā)出的巨響做回聲實(shí)驗。為使響聲更大些，他向槍膛中裝了三倍的火藥，結果槍口噴出的火焰把焦耳的眉毛都燒光了。

　　24歲時(shí)，焦耳開(kāi)始對通電導體放熱的問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。他把父親的一間房子改成實(shí)驗室，一有空便鉆到實(shí)驗室里忙個(gè)不停。焦耳首先把電阻絲盤(pán)繞在玻璃管上，做成一個(gè)電熱器。然后把電熱器放入一個(gè)玻璃瓶中，瓶中裝有已知質(zhì)量的水。給電熱器通電并開(kāi)始計時(shí)，用鳥(niǎo)羽毛輕輕攪動(dòng)水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計，可隨時(shí)觀(guān)察到水溫的變化。同時(shí)用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實(shí)驗做了一次又一次，大量數據使焦耳發(fā)現：電流通過(guò)導體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時(shí)間成正比。

　　焦耳把這一實(shí)驗規律寫(xiě)成論文《關(guān)于金屬導體和電池在電解時(shí)放出的熱》，并于1841年發(fā)表在英國《哲學(xué)雜志》上。然而，論文并沒(méi)有引起學(xué)術(shù)界的重視。因為在一些學(xué)者們看來(lái)，電與熱的關(guān)系不能那么簡(jiǎn)單，況且焦耳只是一個(gè)釀酒師，又沒(méi)有大學(xué)文憑。一年后，俄國彼德堡科學(xué)院院士楞次也做了電與熱的實(shí)驗，并得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視，后來(lái)人們把這個(gè)定律叫做焦耳定律。

　　外界的冷落與贊美都沒(méi)有影響焦耳對真理的追求，他仍繼續著(zhù)自己的實(shí)驗工作。在完成電流熱效應的研究之后，焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉化實(shí)驗。焦耳認為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機械能，總能得到相應的熱能。因此，做功和傳遞熱量之間一定存在著(zhù)確定的數量關(guān)系。那么1卡的熱量相當于多少焦耳的功呢？（今天，人們把這一換算關(guān)系叫做熱功當量。）焦耳想用實(shí)驗找到這一關(guān)系。為此，他精心設計了量熱器，用不同方法進(jìn)行實(shí)驗探索。從1843年起在近40年當中，焦耳做了400多次實(shí)驗，終于得出了比較精確的熱功當量值1卡＝4.15焦耳。這一數值與今天公認的熱功當量值1卡＝4.18焦耳比較起來(lái)雖然小了些，但在當時(shí)的實(shí)驗條件下卻是件了不起的事。焦耳的熱功當量值曾保持了30年沒(méi)有變化，這在物理學(xué)史上是極為罕見(jiàn)的。

　　焦耳準確地測定熱功當量，以無(wú)可辯駁的事實(shí)進(jìn)一步證明了能的轉化和守恒定律是客觀(guān)真理。這一定律的確定，在理論上，不僅對自然科學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)堅實(shí)的理論基礎，而且也為建立辯證唯物主義提供了有力的科學(xué)依據。在實(shí)踐上，它給制造“永動(dòng)機”的幻想做了“不能實(shí)現”的最后判決�？傊�，它使我們在撲朔迷離、千姿百態(tài)的物理現象中，不再無(wú)所適從，為人類(lèi)認識自然、改造自然提供了強有力的武器。

　　為了紀念這位物理學(xué)家的偉大業(yè)績(jì)，物理學(xué)將功的單位命名為焦耳。

　　焦耳的主要貢獻

　　焦耳的主要貢獻是他研究了熱和機械功之間的當量關(guān)系。焦耳最初的研究方向是電磁機，他想將父親的釀酒廠(chǎng)中應用的蒸汽機替換成電磁機以提高工作效率。

　　1837年，焦耳制成了用電池驅動(dòng)的電磁機，但由于支持電磁機工作的電流來(lái)自鋅電池，而鋅的價(jià)格昂貴，用電磁機反而比用蒸汽機成本高。焦耳雖然沒(méi)有達到最初的目的，但他從實(shí)驗中發(fā)現了電流可以做功的現象。

　　為進(jìn)一步探索電流熱效應的規律，焦耳把環(huán)形線(xiàn)圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時(shí)的水溫。通過(guò)這一實(shí)驗，他發(fā)現導體在一定時(shí)間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。此后不久，俄國物理學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗結果，進(jìn)一步驗證了焦耳關(guān)于電流熱效應結論的正確性。因此，該定律被稱(chēng)為焦耳—楞次定律。

　　在完成電流熱效應的研究之后，焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉化實(shí)驗。焦耳認為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機械能，總能得到相應的熱能。因此，做功和傳遞熱量之間一定存在著(zhù)確定的數量關(guān)系，即熱功當量。

　　1843年，焦耳又設計了一個(gè)新實(shí)驗想找到這一關(guān)系。他將一個(gè)小線(xiàn)圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線(xiàn)圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這樣在沒(méi)有外界電源供電的情況下，水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果。

　　這個(gè)實(shí)驗使焦耳想到了機械功與熱的聯(lián)系，經(jīng)過(guò)反復的實(shí)驗、測量，焦耳測出了熱功當量，即1千卡的熱量相當于460千克/米的功。然而，此結果并不精確，焦耳又進(jìn)行了更精確的實(shí)驗。

　　1847年，焦耳設計了更巧妙的實(shí)驗，他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然后讓下降重物帶動(dòng)葉片旋轉，由于葉片和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進(jìn)行比較就可以求出熱功當量的準確值來(lái)。

　　隨后，焦耳還用鯨魚(yú)油或水銀代替水來(lái)做實(shí)驗，他用各種方法進(jìn)行了四百多次實(shí)驗經(jīng)過(guò)更精確地測量，得到的熱功當量值為1卡=4.15焦耳，非常接近目前采用的1卡=4.184焦耳。在當時(shí)的條件下，能做出這樣精確的實(shí)驗來(lái)，是非常不容易的。焦耳準確地測定了熱功當量，進(jìn)一步證明了能的轉化和守恒定律是客觀(guān)真理。這一定律的確定，宣告了制造“永動(dòng)機”的幻想徹底破滅。

　　焦耳定律

　　焦耳定律是指電能和熱能的轉化關(guān)系，它是英國物理學(xué)家焦耳在1841年發(fā)現的。焦耳定律的具體內容是：電流通過(guò)導體所產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與導體的電阻成正比，與通電時(shí)間成正比。

　　焦耳定律的數學(xué)公式是Q=I2Rt，其中Q表示熱量，單位是焦耳；I表示電流，單位是安培；R表示電阻，單位是歐姆；t表示時(shí)間，單位是秒。這個(gè)公式適用于所有電流熱效應的計算。

　　焦耳在用電阻絲給水加熱的時(shí)候發(fā)現，設置不同的參數，電阻絲產(chǎn)生的熱量就不一樣，水的溫度也就不同。他決定對其展開(kāi)定量研究。通過(guò)大量的實(shí)驗，焦耳最終發(fā)現了焦耳定律。焦耳定律為電路照明設計、電熱設備設計和計算電力設備的發(fā)熱提供了依據。

　　在純電阻電路中，以焦耳定律的公式為依據，還能推導出其他的計算電路熱量的公式。但是需要注意的是，焦耳定律的公式適用于所有電路，而推導出來(lái)的公式只適用于純電阻電路。

　　國際單位制用焦[耳](J)表示功或能的單位。1焦耳等于在1牛力作用下，在該力的方向上運動(dòng)1米所做的功；在電學(xué)中等于1Ws，即1A的電流流過(guò)1Ω的電阻在1秒內釋放的能量。

　　焦耳熱

　　以毛細管電泳為例：毛細管電泳需要電場(chǎng)做功，有電場(chǎng)做功就會(huì )產(chǎn)生熱量，這就是焦耳熱。這種焦耳熱視其程度不同，可形成不同的溫度梯度，甚或引起溶液對流、出現氣泡等。氣泡會(huì )使電泳中斷，而溫度梯度和對流會(huì )大幅度降低分離效率。

　　在傳統電泳中，為了避免對流，采用各種難流動(dòng)或不流動(dòng)物質(zhì)作為電泳支持介質(zhì)，如纖維素和凝膠等，這實(shí)際上是一種“堵”的方法。

　　與此相反，在毛細管電泳中則采用消除“源”的策略，即通過(guò)縮小毛細管內徑來(lái)加快散熱的速度，以達到克服焦耳熱效應的目的�？梢灶A見(jiàn)，不同毛細管的散熱能力肯定各有差異，其分離效果也必然會(huì )各有差異，所以如果能夠預先推出關(guān)于毛細管在電泳過(guò)程中的散熱性能或溫度分布，將會(huì )十分有用。

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