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焦耳介绍科普(如虚如实说焦耳)

时间:2023-05-20 作者: 小编 阅读量: 7 栏目名: 生活百科

如虚如实说焦耳焦耳这个词有些拗口所以人们有时候就叫“焦”它是一个能量的单位把1公斤重的物体提起来需要多少焦?把1升水煮开需要多少焦?推动一个质量为1公斤(kg)的物体,使之产生每秒平方1米(m/s2)的加速度所需要。

焦耳这个词有些拗口。所以人们有时候就叫“焦”。它是一个能量的单位。把1公斤重的物体提起来需要多少焦?把1升水煮开需要多少焦?

推动一个质量为1公斤(kg)的物体,使之产生每秒平方1米(m/s2)的加速度所需要的力是1牛顿(N);在这个力的作用下,物体移动了1米所需要的能量就是1焦。它的符号是“J”。

詹姆斯·焦耳

焦耳因英国科学家詹姆斯·焦耳(James Prescott Joule,1818—1889)得名。焦耳出身于工业名城曼彻斯特。他的父亲继承家族生意,制作啤酒并经营一个酒馆,家道殷实。焦耳年轻的时候身体不好,父亲就安排他在家自学,后来又到附近的一个家庭学校学习。焦耳16岁时有幸跟随著名科学家约翰·道尔顿(John Dalton,1766—1844)学习,很快就迷上科学技术,特别是电学。有一次他哄得家中的女工帮他做实验,把那女工电得当场昏了过去。

英国化学家约翰·道尔顿,提出了关于原子论以及原子量计算的见解

1835年,焦耳进入曼彻斯特大学读书,在大学期间就发表了一篇学术论文。他毕业后回家经营家族的生意,业余时间做科研。1840年,他做了一个实验:把一个环形的金属线圈放在装了水的容器中(这和一些老式的电水壶很相似),一面调节电流的大小,一面测量水的温度,从而得到了著名的焦耳定律:

其中,Q为热能,单位就是焦耳(J);I是电流,单位是安培(A);R是电阻,单位是欧姆(Ω);t是时间,单位是秒(s)。焦耳满怀高兴地在英国皇家学会上宣读了自己的论文,但得到的反响却十分冷淡。这首先是因为22岁的焦耳只是个业余科学家,人们没有把他论文当作一回事。另外,人们也未能了解焦耳定律的重要。当时,力学、热力学、电磁学各成一体,互不相干。焦耳定律貌似简单,但却把热力学与电磁学联系在一起。这是世界首创。

焦耳的机械和热能转换装置

1847年,焦耳做了一个新的实验。这次他把一个带叶片的转轴放在装了水的容器中,并用一个下坠的重物驱动转轴旋转,然后测量水的温度。转轴的叶片搅动容器中的水,因此把机械能转换成了热能。这一实验证明了力学和热力学之间的转换。当他再次在英国皇家学会宣读他的论文时,人们开始认识到能量转换的重要性。但也有人质疑焦耳的测量结果,转轴旋转所产生的能量有限,水温升高不大,难以准确测量。焦耳声称他的测量精度可达二百分之一度(℉),这个精度难以置信。实际上焦耳一直在啤酒厂工作,要保证啤酒的质量,需要精确测量温度。他还有一位好朋友是制作测量仪器的专家。但要达到二百分之一度的精度确实很难。

威廉·汤姆森,爱尔兰的数学物理学家、工程师,被称为热力学之父。

这一年,焦耳与阿米莉娅·葛莱姆丝(Amelia Grimes)成亲。在度蜜月时,焦耳偶遇威廉·汤姆森(William Thompson,1824—1907),即开尔文勋爵。两人讨论起能量转换,马上去附近的一个瀑布做了一个实验,想看看瀑布中水的动能是不是会增加水的温度。不过瀑布的环境太复杂,实验没有什么结果。焦耳和开尔文勋爵继续合作了数年,发现了焦耳¾汤普森效应:压缩气体在快速降低压力时气体的温度会迅速下降。我们今天用的空调机用的就是这一效应。此外,这个效应还证明了分子运动产生热,是热力学的基础理论。

1850年,焦耳入选皇家学会院士,不久他卖掉了他的啤酒厂,专注于科学研究。这一年他发表另一篇重要文章,其中讲述了热功当量(Mechanical Equivalent of Heat):要产生使1磅水增加1华氏度的热量,需要耗费772磅重物下降1英尺的机械功。在后来的数十年中,他用大量的时间做实验,直到1878年还有测量结果的报告,最后测得的结果是772.55磅。

焦耳的工作为能量守恒的科学思想奠定了基础:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失;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,而且能量的总量保持不变。这就是我们今天说的热力学第一定律。

焦耳生性谦虚,生活简朴。1854年,焦耳的妻子不幸早逝。他也没有再婚。他把家族生意卖掉后得到的钱都用到研究上,几乎变得生活拮据。1875年,他得到英国皇室的每年2百英镑的专门年薪,才得以衣食无忧。到了晚年,他的身体越来越差。1889年,他在家中安然逝世,终年71岁。同年,国际电气议会(International Electrical Congress)在巴黎开会,确定把“焦耳”定义为能量的单位。但是焦耳已经不知道了。焦耳的墓碑的碑首刻着热功当量的数字:772.55。

热功当量J = 427千克力·米/千卡 = 4.1840焦耳/卡。

焦耳的墓碑


拓展阅读:

安培的故事:广东科学中心「如虚如实说」| 你知道闪电约有多少安吗?

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