焦耳的科學研究故事

時間：2024-07-23 19:07:14 林惜名人故事我要投稿

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焦耳的科學研究故事

　　焦耳是一名英國的物理學家，下面小編為大家帶來了關于焦耳的科學研究故事，歡迎大家閱讀，希望能夠幫助到大家。

焦耳的科學研究故事

　　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主的家庭里，從小就跟著爸爸釀酒，沒有進過學校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書，常常一邊勞動一邊認字，自學到不少知識。后來，他幸運地認識了著名化學家道爾頓教授，便常常到他那里請教。從此，焦耳對自然科學，特別是實驗科學產生了濃厚的興趣。

　　有一次，焦耳與哥哥一塊找來一匹跛馬，把電流通到馬身上，馬受到刺激便狂跳起來。焦耳記下電流的大小和馬的狂跳程度，說這是用馬來觀察電擊實驗。還有一次，焦耳用火藥槍發出的巨響做回聲實驗。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，焦耳開始對通電導體放熱的問題進行深入的研究。他把父親的一間房子改成實驗室，一有空便鉆到實驗室里忙個不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成一個電熱器。然后把電熱器放入一個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電并開始計時，用鳥羽毛輕輕攪動水，使水溫度均勻。從插在水中的溫度計，可隨時觀察到水溫的變化。同時用電流計測出電流的大小。焦耳把這種實驗做了一次又一次，大量數據使焦耳發現：電流通過導體時產生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。

　　焦耳把這一實驗規律寫成論文《關于金屬導體和電池在電解時放出的熱》，并于1841年發表在英國《哲學雜志》上。然而，論文并沒有引起學術界的重視。因為在一些學者們看來，電與熱的關系不能那么簡單，況且焦耳只是一個釀酒師，又沒有大學文憑。一年后，俄國彼德堡科學院院士楞次也做了電與熱的實驗，并得到與焦耳完全一致的結果。焦耳的論文才得到重視，后來人們把這個定律叫做焦耳定律。

　　外界的冷落與贊美都沒有影響焦耳對真理的追求，他仍繼續著自己的實驗工作。在完成電流熱效應的研究之后，焦耳又進行了功與熱量的轉化實驗。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確定的數量關系。那么1卡的熱量相當于多少焦耳的功呢？（今天，人們把這一換算關系叫做熱功當量。）焦耳想用實驗找到這一關系。為此，他精心設計了量熱器，用不同方法進行實驗探索。從1843年起在近40年當中，焦耳做了400多次實驗，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焦耳比較起來雖然小了些，但在當時的實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年沒有變化，這在物理學史上是極為罕見的。

　　焦耳準確地測定熱功當量，以無可辯駁的事實進一步證明了能的轉化和守恒定律是客觀真理。這一定律的確定，在理論上，不僅對自然科學的發展提供了一個堅實的理論基礎，而且也為建立辯證唯物主義提供了有力的科學依據。在實踐上，它給制造“永動機”的幻想做了“不能實現”的最后判決。總之，它使我們在撲朔迷離、千姿百態的物理現象中，不再無所適從，為人類認識自然、改造自然提供了強有力的武器。

　　為了紀念這位物理學家的偉大業績，物理學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系。焦耳最初的研究方向是電磁機，他想將父親的釀酒廠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的電磁機，但由于支持電磁機工作的電流來自鋅電池，而鋅的價格昂貴，用電磁機反而比用蒸汽機成本高。焦耳雖然沒有達到最初的目的，但他從實驗中發現了電流可以做功的現象。

　　為進一步探索電流熱效應的規律，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發現導體在一定時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，俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果，進一步驗證了焦耳關于電流熱效應結論的正確性。因此，該定律被稱為焦耳—楞次定律。

　　在完成電流熱效應的研究之后，焦耳又進行了功與熱量的轉化實驗。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確定的數量關系，即熱功當量。

　　1843年，焦耳又設計了一個新實驗想找到這一關系。他將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這樣在沒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。

　　這個實驗使焦耳想到了機械功與熱的聯系，經過反復的實驗、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，焦耳又進行了更精確的實驗。

　　1847年，焦耳設計了更巧妙的實驗，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。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。

　　隨后，焦耳還用鯨魚油或水銀代替水來做實驗，他用各種方法進行了四百多次實驗經過更精確地測量，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。在當時的條件下，能做出這樣精確的實驗來，是非常不容易的。焦耳準確地測定了熱功當量，進一步證明了能的轉化和守恒定律是客觀真理。這一定律的確定，宣告了制造“永動機”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系，它是英國物理學家焦耳在1841年發現的。焦耳定律的具體內容是：電流通過導體所產生的熱量與電流的平方成正比，與導體的電阻成正比，與通電時間成正比。

　　焦耳定律的數學公式是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表示時間，單位是秒。這個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候發現，設置不同的參數，電阻絲產生的熱量就不一樣，水的溫度也就不同。他決定對其展開定量研究。通過大量的實驗，焦耳最終發現了焦耳定律。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1米所做的功；在電學中等于1Ws，即1A的電流流過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做功，有電場做功就會產生熱量，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。氣泡會使電泳中斷，而溫度梯度和對流會大幅度降低分離效率。

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

　　與此相反，在毛細管電泳中則采用消除“源”的策略，即通過縮小毛細管內徑來加快散熱的速度，以達到克服焦耳熱效應的目的。可以預見，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各有差異，所以如果能夠預先推出關于毛細管在電泳過程中的散熱性能或溫度分布，將會十分有用。

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