焦耳的科学研究故事
焦耳是一名英国的物理学家，下面小编为大家带来了关于焦耳的科学研究故事，欢迎大家阅读，希望能够帮助到大家。
焦耳的故事
焦耳（1818～1889）是英国人，1818年12月24日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着爸爸酿酒，没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了著名化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。
有一次，焦耳与哥哥一块找来一匹跛马，把电流通到马身上，马受到刺激便狂跳起来。焦耳记下电流的大小和马的狂跳程度，说这是用马来观察电击实验。还有一次，焦耳用火药枪发出的巨响做回声实验。为使响声更大些，他向枪膛中装了三倍的火药，结果枪口喷出的火焰把焦耳的眉毛都烧光了。
24岁时，焦耳开始对通电导体放热的问题进行深入的研究。他把父亲的一间房子改成实验室，一有空便钻到实验室里忙个不停。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上，做成一个电热器。然后把电热器放入一个玻璃瓶中，瓶中装有已知质量的水。给电热器通电并开始计时，用鸟羽毛轻轻搅动水，使水温度均匀。从插在水中的温度计，可随时观察到水温的变化。同时用电流计测出电流的大小。焦耳把这种实验做了一次又一次，大量数据使焦耳发现：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。
焦耳把这一实验规律写成论文《关于金属导体和电池在电解时放出的热》，并于1841年发表在英国《哲学杂志》上。然而，论文并没有引起学术界的重视。因为在一些学者们看来，电与热的关系不能那么简单，况且焦耳只是一个酿酒师，又没有大学文凭。一年后，俄国彼德堡科学院院士楞次也做了电与热的实验，并得到与焦耳完全一致的结果。焦耳的论文才得到重视，后来人们把这个定律叫做焦耳定律。
外界的冷落与赞美都没有影响焦耳对真理的追求，他仍继续着自己的实验工作。在完成电流热效应的研究之后，焦耳又进行了功与热量的转化实验。焦耳认为，自然界的能量是不能消灭的，消耗了机械能，总能得到相应的热能。因此，做功和传递热量之间一定存在着确定的数量关系。那么1卡的热量相当于多少焦耳的功呢？（今天，人们把这一换算关系叫做热功当量。）焦耳想用实验找到这一关系。为此，他精心设计了量热器，用不同方法进行实验探索。从1843年起在近40年当中，焦耳做了400多次实验，终于得出了比较精确的热功当量值1卡＝4.15焦耳。这一数值与今天公认的热功当量值1卡＝4.18焦耳比较起来虽然小了些，但在当时的实验条件下却是件了不起的事。焦耳的热功当量值曾保持了30年没有变化，这在物理学史上是极为罕见的。
焦耳准确地测定热功当量，以无可辩驳的事实进一步证明了能的转化和守恒定律是客观真理。这一定律的确定，在理论上，不仅对自然科学的发展提供了一个坚实的理论基础，而且也为建立辩证唯物主义提供了有力的科学依据。在实践上，它给制造“永动机”的幻想做了“不能实现”的最后判决。总之，它使我们在扑朔迷离、千姿百态的物理现象中，不再无所适从，为人类认识自然、改造自然提供了强有力的武器。
为了纪念这位物理学家的伟大业绩，物理学将功的单位命名为焦耳。
焦耳的主要贡献
焦耳的主要贡献是他研究了热和机械功之间的当量关系。焦耳最初的研究方向是电磁机，他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电磁机以提高工作效率。
1837年，焦耳制成了用电池驱动的电磁机，但由于支持电磁机工作的电流来自锌电池，而锌的价格昂贵，用电磁机反而比用蒸汽机成本高。焦耳虽然没有达到最初的目的，但他从实验中发现了电流可以做功的现象。
为进一步探索电流热效应的规律，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。通过这一实验，他发现导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。此后不久，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，进一步验证了焦耳关于电流热效应结论的正确性。因此，该定律被称为焦耳―楞次定律。
在完成电流热效应的研究之后，焦耳又进行了功与热量的转化实验。焦耳认为，自然界的能量是不能消灭的，消耗了机械能，总能得到相应的热能。因此，做功和传递热量之间一定存在着确定的数量关系，即热功当量。
1843年，焦耳又设计了一个新实验想找到这一关系。他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。这样在没有外界电源供电的情况下，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。
这个实验使焦耳想到了机械功与热的联系，经过反复的实验、测量，焦耳测出了热功当量，即1千卡的热量相当于460千克/米的功。然而，此结果并不精确，焦耳又进行了更精确的实验。
1847年，焦耳设计了更巧妙的实验，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，由于叶片和水的摩擦，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。
随后，焦耳还用鲸鱼油或水银代替水来做实验，他用各种方法进行了四百多次实验经过更精确地测量，得到的热功当量值为1卡=4.15焦耳，非常接近目前采用的1卡=4.184焦耳。在当时的条件下，能做出这样精确的实验来，是非常不容易的。焦耳准确地测定了热功当量，进一步证明了能的转化和守恒定律是客观真理。这一定律的确定，宣告了制造“永动机”的幻想彻底破灭。
焦耳定律
焦耳定律是指电能和热能的转化关系，它是英国物理学家焦耳在1841年发现的。焦耳定律的具体内容是：电流通过导体所产生的热量与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。
焦耳定律的数学公式是Q=I2Rt，其中Q表示热量，单位是焦耳；I表示电流，单位是安培；R表示电阻，单位是欧姆；t表示时间，单位是秒。这个公式适用于所有电流热效应的计算。
焦耳在用电阻丝给水加热的时候发现，设置不同的参数，电阻丝产生的热量就不一样，水的温度也就不同。他决定对其展开定量研究。通过大量的实验，焦耳最终发现了焦耳定律。焦耳定律为电路照明设计、电热设备设计和计算电力设备的发热提供了依据。
在纯电阻电路中，以焦耳定律的公式为依据，还能推导出其他的计算电路热量的公式。但是需要注意的是，焦耳定律的公式适用于所有电路，而推导出来的公式只适用于纯电阻电路。
国际单位制用焦[耳](J)表示功或能的单位。1焦耳等于在1牛力作用下，在该力的方向上运动1米所做的功；在电学中等于1Ws，即1A的电流流过1Ω的电阻在1秒内释放的能量。
焦耳热
以毛细管电泳为例：毛细管电泳需要电场做功，有电场做功就会产生热量，这就是焦耳热。这种焦耳热视其程度不同，可形成不同的温度梯度，甚或引起溶液对流、出现气泡等。气泡会使电泳中断，而温度梯度和对流会大幅度降低分离效率。
在传统电泳中，为了避免对流，采用各种难流动或不流动物质作为电泳支持介质，如纤维素和凝胶等，这实际上是一种“堵”的方法。
与此相反，在毛细管电泳中则采用消除“源”的策略，即通过缩小毛细管内径来加快散热的速度，以达到克服焦耳热效应的目的。可以预见，不同毛细管的散热能力肯定各有差异，其分离效果也必然会各有差异，所以如果能够预先推出关于毛细管在电泳过程中的散热性能或温度分布，将会十分有用。
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