焦耳的科學(xué)研究故事
焦耳是一名英國(guó)的物理學(xué)家，下面小編為大家?guī)?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(guó)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(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(rèn)字，自學(xué)到不少知識(shí)。后來(lái)，他幸運(yùn)地認(rèn)識(shí)了著名化學(xué)家道爾頓教授，便常常到他那里請(qǐng)教。從此，焦耳對(duì)自然科學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)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)觀察電擊實(shí)驗(yàn)。還有一次，焦耳用火藥槍發(fā)出的巨響做回聲實(shí)驗(yàn)。為使響聲更大些，他向槍膛中裝了三倍的火藥，結(jié)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(duì)通電導(dǎo)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(yàn)室，一有空便鉆到實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)，可隨時(shí)觀察到水溫的變化。同時(shí)用電流計(jì)測(cè)出電流的大小。焦耳把這種實(shí)驗(yàn)做了一次又一次，大量數(shù)據(jù)使焦耳發(fā)現(xiàn)：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)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(yàn)規(guī)律寫(xiě)成論文《關(guān)于金屬導(dǎo)體和電池在電解時(shí)放出的熱》，并于1841年發(fā)表在英國(guó)《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?yàn)樵谝恍W(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(guó)彼德堡科學(xué)院院士楞次也做了電與熱的實(shí)驗(yàn)，并得到與焦耳完全一致的結(jié)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(duì)真理的追求，他仍繼續(xù)著自己的實(shí)驗(yàn)工作。在完成電流熱效應(yīng)的研究之后，焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。焦耳認(rèn)為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機(jī)械能，總能得到相應(yīng)的熱能。因此，做功和傳遞熱量之間一定存在著確定的數(shù)量關(guān)系。那么1卡的熱量相當(dāng)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(dāng)量。）焦耳想用實(shí)驗(yàn)找到這一關(guān)系。為此，他精心設(shè)計(jì)了量熱器，用不同方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。從1843年起在近40年當(dāng)中，焦耳做了400多次實(shí)驗(yàn)，終于得出了比較精確的熱功當(dāng)量值1卡＝4.15焦耳。這一數(shù)值與今天公認(rèn)的熱功當(dāng)量值1卡＝4.18焦耳比較起來(lái)雖然小了些，但在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下卻是件了不起的事。焦耳的熱功當(dāng)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(zhǔn)確地測(cè)定熱功當(dāng)量，以無(wú)可辯駁的事實(shí)進(jìn)一步證明了能的轉(zhuǎn)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(duì)自然科學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且也為建立辯證唯物主義提供了有力的科學(xué)依據(jù)。在實(shí)踐上，它給制造“永動(dòng)機(jī)”的幻想做了“不能實(shí)現(xiàn)”的最后判決。總之，它使我們?cè)趽渌访噪x、千姿百態(tài)的物理現(xiàn)象中，不再無(wú)所適從，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然、改造自然提供了強(qiáng)有力的武器。
為了紀(jì)念這位物理學(xué)家的偉大業(yè)績(jī)，物理學(xué)將功的單位命名為焦耳。
焦耳的主要貢獻(xiàn)
焦耳的主要貢獻(xiàn)是他研究了熱和機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系。焦耳最初的研究方向是電磁機(jī)，他想將父親的釀酒廠中應(yīng)用的蒸汽機(jī)替換成電磁機(jī)以提高工作效率。
1837年，焦耳制成了用電池驅(qū)動(dòng)的電磁機(jī)，但由于支持電磁機(jī)工作的電流來(lái)自鋅電池，而鋅的價(jià)格昂貴，用電磁機(jī)反而比用蒸汽機(jī)成本高。焦耳雖然沒(méi)有達(dá)到最初的目的，但他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電流可以做功的現(xiàn)象。
為進(jìn)一步探索電流熱效應(yīng)的規(guī)律，焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內(nèi)，測(cè)量不同電流強(qiáng)度和電阻時(shí)的水溫。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流強(qiáng)度的平方之積成正比。此后不久，俄國(guó)物理學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了焦耳關(guān)于電流熱效應(yīng)結(jié)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(yīng)的研究之后，焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。焦耳認(rèn)為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機(jī)械能，總能得到相應(yīng)的熱能。因此，做功和傳遞熱量之間一定存在著確定的數(shù)量關(guān)系，即熱功當(dāng)量。
1843年，焦耳又設(shè)計(jì)了一個(gè)新實(shí)驗(yàn)想找到這一關(guān)系。他將一個(gè)小線圈繞在鐵芯上，用電流計(jì)測(cè)量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測(cè)量水溫以計(jì)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)使焦耳想到了機(jī)械功與熱的聯(lián)系，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測(cè)量，焦耳測(cè)出了熱功當(dāng)量，即1千卡的熱量相當(dāng)于460千克/米的功。然而，此結(jié)果并不精確，焦耳又進(jìn)行了更精確的實(shí)驗(yàn)。
1847年，焦耳設(shè)計(jì)了更巧妙的實(shí)驗(yàn)，他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉(zhuǎn)軸，然后讓下降重物帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，由于葉片和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。根據(jù)重物下落的高度，可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功；根據(jù)量熱器內(nèi)水升高的溫度，就可以計(jì)算水的內(nèi)能的升高值。把兩數(shù)進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的準(zhǔn)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(yàn)，他用各種方法進(jìn)行了四百多次實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)更精確地測(cè)量，得到的熱功當(dāng)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(dāng)時(shí)的條件下，能做出這樣精確的實(shí)驗(yàn)來(lái)，是非常不容易的。焦耳準(zhǔn)確地測(cè)定了熱功當(dāng)量，進(jìn)一步證明了能的轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)”的幻想徹底破滅。
焦耳定律
焦耳定律是指電能和熱能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，它是英國(guó)物理學(xué)家焦耳在1841年發(fā)現(xiàn)的。焦耳定律的具體內(nèi)容是：電流通過(guò)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與導(dǎo)體的電阻成正比，與通電時(shí)間成正比。
焦耳定律的數(shù)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(yīng)的計(jì)算。
焦耳在用電阻絲給水加熱的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，設(shè)置不同的參數(shù)，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(duì)其展開(kāi)定量研究。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，焦耳最終發(fā)現(xiàn)了焦耳定律。焦耳定律為電路照明設(shè)計(jì)、電熱設(shè)備設(shè)計(jì)和計(jì)算電力設(shè)備的發(fā)熱提供了依據(jù)。
在純電阻電路中，以焦耳定律的公式為依據(jù)，還能推導(dǎo)出其他的計(jì)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(dǎo)出來(lái)的公式只適用于純電阻電路。
國(guó)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(yùn)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(nèi)釋放的能量。
焦耳熱
以毛細(xì)管電泳為例：毛細(xì)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(duì)流、出現(xiàn)氣泡等。氣泡會(huì)使電泳中斷，而溫度梯度和對(duì)流會(huì)大幅度降低分離效率。
在傳統(tǒng)電泳中，為了避免對(duì)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(xì)管電泳中則采用消除“源”的策略，即通過(guò)縮小毛細(xì)管內(nèi)徑來(lái)加快散熱的速度，以達(dá)到克服焦耳熱效應(yīng)的目的。可以預(yù)見(jiàn)，不同毛細(xì)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(yù)先推出關(guān)于毛細(xì)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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