焦耳的主要貢獻(xiàn)播報(bào)
編輯
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)，他想將女兒的釀酒廠中應(yīng)用的蒸氣機(jī)替換成電磁機(jī)以提升工作效率[3]。
1837年，焦耳制成了用電瓶驅(qū)動(dòng)的電磁機(jī)，但因?yàn)橹С蛛姶艡C(jī)工作的電壓來(lái)自鋅電板，而鋅的價(jià)位高昂，用電磁機(jī)反倒比用蒸氣機(jī)成本高。焦耳似乎沒(méi)有達(dá)到最初的目的，但他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺(jué)了電壓可以做功的現(xiàn)象[3]。
為進(jìn)一步探求電壓熱效應(yīng)的規(guī)律，焦耳把環(huán)型線圈倒入裝水的試管內(nèi)，檢測(cè)不同電壓硬度和內(nèi)阻時(shí)的溫度。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，他發(fā)覺(jué)導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的阻值及電壓硬度的平方之積成反比。隨后不久，俄羅斯化學(xué)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)于電壓熱效應(yīng)推論的正確性。因而電功率單位換算關(guān)系，該定理被稱為焦耳—楞次定理[3]。
在完成電壓熱效應(yīng)的研究以后，焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。焦耳覺(jué)得，自然界的能量是不能剿滅的，消耗了機(jī)械能，總能得到相應(yīng)的熱能。為此，做功和傳遞熱量之間一定存在著確定的數(shù)目關(guān)系，即熱功當(dāng)量[3]。
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，用電壓計(jì)檢測(cè)感生電壓，把線圈置于裝水的容器中，檢測(cè)溫度以估算熱量。這樣在沒(méi)有外界電源供電的情況下，溫度的下降只是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果[3]。
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卡路里的熱量相當(dāng)于460千克/米的功。但是，此結(jié)果并不精確，焦耳又進(jìn)行了更精確的實(shí)驗(yàn)[3]。
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，中間安上帶有莖稈的轉(zhuǎn)軸，之后讓增長(zhǎng)重物推動(dòng)莖稈旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榍o稈和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。按照重物下落的高度，可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功；按照量熱器內(nèi)水下降的氣溫，就可以估算水的內(nèi)能的下降值。把兩數(shù)進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的確切值來(lái)[3]。
實(shí)驗(yàn)器具[7]
此后，焦耳還用海豚油或水銀取代水來(lái)做實(shí)驗(yàn)，他用各類方式進(jìn)行了四百多次實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)更精確地檢測(cè)，得到的熱功當(dāng)量值為1卡=4.15焦耳，十分接近目前采用的1卡=4.184焦耳。在當(dāng)時(shí)的條件下，能作出這樣精確的實(shí)驗(yàn)來(lái)，是十分不容易的。焦耳確切地測(cè)定了熱功當(dāng)量，進(jìn)一步證明了能的轉(zhuǎn)化和守恒定理是客觀真理。這一定理的確定，宣告了制造“永動(dòng)機(jī)”的幻想徹底破滅[3]。
焦耳定理播報(bào)
編輯
焦耳定理是指電能和熱能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，它是美國(guó)化學(xué)學(xué)家焦耳在1841年發(fā)覺(jué)的。焦耳定理的具體內(nèi)容是：電壓通過(guò)導(dǎo)體所形成的熱量與電壓的平方成反比，與導(dǎo)體的內(nèi)阻成反比，與通電時(shí)間成反比[5]。
焦耳定理的物理公式是Q=I2Rt，其中Q表示熱量，單位是焦耳；I表示電壓，單位是安培；R表示阻值，單位是歐姆；t表示時(shí)間，單位是秒。這個(gè)公式適用于所有電壓熱效應(yīng)的估算[5]。
焦耳在用內(nèi)阻絲給水加熱的時(shí)侯發(fā)覺(jué)，設(shè)置不同的參數(shù)，內(nèi)阻絲形成的熱量就不一樣，水的氣溫也就不同。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)覺(jué)了焦耳定理。焦耳定理為電路照明設(shè)計(jì)、電熱設(shè)備設(shè)計(jì)和估算電力設(shè)備的發(fā)熱提供了根據(jù)[5]。
在純內(nèi)阻電路中，以焦耳定理的公式為根據(jù)，能夠推導(dǎo)入其他的估算電路熱量的公式。而且須要注意的是，焦耳定理的公式適用于所有電路，而推論下來(lái)的公式只適用于純內(nèi)阻電路[5]。
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；在熱學(xué)中等于1W?s，即1A的電壓流過(guò)1Ω的內(nèi)阻在一秒內(nèi)釋放的能量[6]。
焦耳熱映報(bào)
編輯
以毛細(xì)管電泳為例：毛細(xì)管電泳須要電場(chǎng)做功，有電場(chǎng)做功都會(huì)形成熱量，這就是焦耳熱。這些焦耳熱視其程度不同，可產(chǎn)生不同的水溫梯度，故此導(dǎo)致濾液對(duì)流、出現(xiàn)氣泡等。氣泡會(huì)使電泳中斷，而氣溫梯度和對(duì)流會(huì)大幅度增加分離效率[4]。
在傳統(tǒng)電泳中，為了防止對(duì)流，采用各類難流動(dòng)或不流動(dòng)物質(zhì)作為電泳支持介質(zhì)電功率單位換算關(guān)系，如纖維素和凝膠等，這實(shí)際上是一種“堵”的方式[4]。
與此相反，在毛細(xì)管電泳中則采用去除“源”的策略，即通過(guò)縮小毛細(xì)管外徑來(lái)推動(dòng)散熱的速率，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別，其分離療效也必然會(huì)各有差別，所以假如才能預(yù)先推出關(guān)于毛細(xì)管在電泳過(guò)程中的散熱性能或濕度分布，將會(huì)非常有用[4]。