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焦耳

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焦耳简介

物理学家焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule,1818年12月24日-1889年10月11日),英国物理学家,出生于曼彻斯特近郊的沙弗特,英国皇家学会会员。

由于他在热学、热力学和电方面的贡献,皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章(Copley Medal)。后人为了纪念他,把能量或功的单位命名为“焦耳”,简称“焦”;并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量以及“功”的物理量。

焦耳在研究热的本质时,发现了热和功之间的转换关系,并由此得到了能量守恒定律,最终发展出热力学第一定律。国际单位制导出单位中,能量的单位——焦耳,就是以他的名字命名。他和开尔文合作发展了温度的绝对尺度。他还观测过磁致伸缩效应,发现了导体电阻、通过导体电流及其产生热能之间的关系,也就是常称的焦耳定律。

1840年他的第一篇重要的论文于被送到英国皇家学会,当中指出电导体所发出的热量与电流强度、导体电阻和通电时间的关系,此即焦耳定律。

焦耳提出能量守恒与转化定律:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只能从一种形式转化成另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而能的总量保持不变,奠定了热力学第一定律(能量不灭原理)之基础。

1834年,16岁的焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会(英语:Manchester Literary and Philosophical Society)的道尔顿的门下学习。 焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何。后来道尔顿因中风而退休。但是跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。焦耳后来又受约翰·戴维斯(John Davies (lecturer))指导。焦耳兄弟俩对电学非常着迷,曾经实验相互电击,还拿家里的仆人们做过实验。

焦耳在受道尔顿指导期间,于1835年进入曼彻斯特大学就读。毕业后开始参加经营自家的啤酒厂,直到1854年卖出啤酒厂,他在经营上都一直很活跃。 科学开始只是焦耳的一个爱好,直到后来他开始研究用新发明的电动机来替换啤酒厂的蒸汽机的可行性。

1838年,他的第一篇关于电学的科学论文被发表在《电学年鉴》(Annals of Electricity)上。这份学术期刊是由戴维斯的同事威廉·斯特金(英语:William Sturgeon)创办和主持的。

1840年,他得出了焦耳定律的公式, 本来准备让皇家学会大吃一惊的,可后来发现自己被仅仅当作乡下的业余爱好者。当斯特金在1840年搬到曼彻斯特后,他和焦耳成为了这个城市知识分子的核心。他俩同感,科学和神学应该并且可能整合在一起。焦耳开始在斯特金的皇家维多利亚实践科学讲座(英语:Royal Victoria Gallery of Practical Science)上开办讲座。

他后来认识到,在蒸汽机烧1磅煤所产生的热量是在革若夫电池(英语:Grove cell)(一种早期的电池)里消耗1磅锌所发出热量的5倍。 焦耳对“经济负荷”(economical duty)的通常标准是,将1磅重量抬升1英尺的能力,即英尺-磅(英语:Foot-pound (energy))。

焦耳被弗朗兹·艾皮努斯(英语:Franz Aepinus)的想法所影响,试图用被“振动形态的热质以太(calorific ether in a state of vibration)”所环绕的原子来解释电学和磁。

然而焦耳的兴趣从有关可以从给定来源提取多少功这样的狭隘的经济问题开始转向,最终到思考能量的可转换性。

1883年他发表了一些实验结果,显示他在1841年所定量化的热效应是因为导体本身的发热,而不是从装置其他部分传来的热量。 这个结论对当时的热质说是一个直接的挑战。热质说认为,热量既不能被创造,也不能被销毁。自从被拉瓦锡在1783年提出后,热质说一直是热学领域的主导性的理论。拉瓦锡的影响力再加上尼古拉·卡诺自1824年所提出的关于热机的热质理论在实践中的成功,使得既不在学术界又不在工程界的年轻的焦耳看起来前途坎坷。热质说的支持者准备指出,热电效应的对称性说明热能和电能是(至少大约)可以被一个可逆过程所相互转化的。

焦耳

1837年,焦耳装成了用电池驱动的电磁机,并发表了关于这方面的论文而引起人们的注意。

1840年,焦耳把环形线圈放入装水的试管内,测量不同电流强度和电阻时的水温。12月焦耳在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文,提出电流通过导体产生热量的定律。由于不久之后,俄国物理学家楞次也独立发现了同样的定律,该定律也称为焦耳-楞次定律

1843年,焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上,用电流计测量感生电流,把线圈放在装水的容器中,测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的,没有外界电源供电,水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果,整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。

1843年8月21日在英国学术会上,焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》,他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响,这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。

1844年,焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化,他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究,焦耳计算出了气体分子的热运动速度值,从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础,并解释了气体对器壁压力的实质。

1852年,他们发现当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时,大多数气体和空气的温度都要下降。这一现象后来被称为焦耳-汤姆逊效应。这个效应在低温和气体液化方面有广泛的应用。焦耳对蒸汽机的发展也做出了不少有价值的工作。

1847年,焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验:他在量热器里装了水,中间安上带有叶片的转轴,然后让下降重物带动叶片旋转,由于叶片和水的磨擦,水和量热器都变热了。根据重物下落的高度,可以算出转化的机械功;根据量热器内水的升高的温度,就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。 焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验,测得了热功当量的平均值为423.9千克米/千卡。接着又用水银来代替水,不断改进实验方法,直到1878年。这时距他开始进行这一工作将近四十年了,他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。

当焦耳在1847年的英国科学学会的会议上再次公布自己的研究成果时,他还是没有得到支持,很多科学家都怀疑他的结论,认为各种形式的能之间的转化是不可能的。直到1850年,其他一些科学家用不同的方法获得了能量守恒定律和能量转化定律,他们的结论和焦耳相同,这时焦耳的工作才得到承认。

1850年,焦耳凭借他在物理学上作出的重要贡献成为英国皇家学会会员,当时他三十二岁,两年后他接受了皇家勋章。许多外国科学院也给予他很高的荣誉。虽然焦耳不停地进行着他的实验测量工作,遗憾的是,他的科学创造性,特别是在物理概念方面的创造性,过早地就减少了。

1875年,英国科学协会委托他更精确地测量热功当量。他得到的结果是4.15,非常接近1卡=4.184焦耳。1875年,焦耳的经济状况大不如前。这位曾经富有过但却没有一定职位的人发现自己在经济上处于困境,幸而他的朋友帮他弄到一笔每年200英镑的养老金,使他得以维持中等但舒适的生活。五十五岁时,他的健康状况恶化,研究工作减慢了。1878年当他六十岁时,焦耳发表了他的最后一篇论文。

1889年10月11日,焦耳在索福特逝世。

焦耳对热功当量的测定

焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文《关于电磁的热效应和热的功值》,是1843年在英国《哲学杂志》第23卷第3辑上发表的。此后,他用不同材料进行实验,并不断改进实验设计,结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同,结果都相差不远;并且随着实验精度的提高,趋近于一定的数值。

最后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会《哲学学报》1850年第140卷上,其中阐明:

第一,不论固体或液体,摩擦所产生的热量,总是与所耗的力的大小成比例。

第二,要产生使1磅水(在真空中称量,其温度在50~60华氏度之间)增加1华氏度的热量,需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功。他精益求精,直到1878年还有测量结果的报告。

他近40年的研究工作,为热运动与其他运动的相互转换,运动守恒等问题,提供了无可置疑的证据,焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。

焦耳和卡路里的换算

国际单位制中,标准的能量单位是焦耳(joule)。卡路里(calroie)也是能量单位,现在仍被广泛使用在营养计量和健身手册上。

两者之间的关系,就像是千米每小时与米每秒。

一般所说的卡路里还分为两种:即大卡和小卡。

大卡,也被记做大写字母C;最常见于食品标注,相当于在一个标准大气压下,将1公斤15摄氏度的水升高一度所需能量,1大卡=4.185焦耳;即1C=4.185J;

1J有多少呢?就是1N*m,就是把1牛顿的物体,举高1米。一瓶矿泉水(500ml)大约是0.5kg,大约5N,举起0.2m,人对其所做的功就是1J。

小卡,也被记做cal,较多见于科研文档中,1000小卡=1大卡。常用的是大卡。

1焦耳

1焦耳有多少呢?就是1N*m,就是把1牛顿的物体,举高1米。

一瓶矿泉水(500ml)大约是0.5kg,大约5N,举起0.2m,人对其所做的功就是1J。

焦耳定律

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。

内容是:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电的时间成正比。

焦耳定律数学表达式:Q=I^2R*t(适用于所有电路);对于纯电阻电路可推导出:Q=W=Pt;Q=UIt;Q=(U^2/R)t

焦耳与瓦的换算

焦耳是功(能量)的单位,而瓦是功率的单位,两者不是同一物理量,无法进行换算,就像一千克等于多少牛顿一样。

两者之间是有关联的:

1焦耳等于1瓦特*秒;1J=1w*1s;

1度电=一千瓦*小时=等于1000焦耳每秒*小时(3600秒)=3600000焦耳

1瓦=一焦耳每秒=1J/s

 

焦耳单位

焦耳单位比较小。我们与一度电(电能单位,对应的是电力做功)来对比。

一度电是1千瓦*小时,即一度电=3600000J;可见一度电能量很大,1焦耳能量单位很小。

参考文献

焦耳定律http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/480438.html

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