焦耳

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焦耳（簡稱焦）是國際單位制中能量、功或熱量的導出單位，符號為J。在經典力學裡，1焦耳等於施加1牛頓作用力經過1米距離所需的能量（或做的機械功）。在電磁學裡，1焦耳等於將1安培電流通過1歐姆電阻1秒時間所需的能量。焦耳是因紀念物理學家詹姆斯·焦耳而命名。

焦耳的主要貢獻

焦耳的主要貢獻是他研究了熱和機械功之間的當量關係。焦耳最初的研究方向是電磁機，他想將父親的釀酒廠中應用的蒸汽機替換成電磁機以提高工作效率。

1837年，焦耳製成了用電池驅動的電磁機，但由於支持電磁機工作的電流來自鋅電池，而鋅的價格昂貴，用電磁機反而比用蒸汽機成本高。焦耳雖然沒有達到最初的目的，但他從實驗中發現了電流可以做功的現象。 為進一步探索電流熱效應的規律，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發現導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。此後不久，俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果，進一步驗證了焦耳關於電流熱效應結論的正確性。因此，該定律被稱為焦耳—楞次定律。

在完成電流熱效應的研究之後，焦耳又進行了功與熱量的轉化實驗。焦耳認為，自然界的能量是不能消滅的，消耗了機械能，總能得到相應的熱能。因此，做功和傳遞熱量之間一定存在着確定的數量關係，即熱功當量。

1843年，焦耳又設計了一個新實驗想找到這一關係。他將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這樣在沒有外界電源供電的情況下，水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果。

這個實驗使焦耳想到了機械功與熱的聯繫，經過反覆的實驗、測量，焦耳測出了熱功當量，即1千卡的熱量相當於460千克米的功。然而，此結果並不精確，焦耳又進行了更精確的實驗。

1847年，焦耳設計了更巧妙的實驗，他在量熱器里裝了水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的摩擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水升高的溫度，就可以計算水的內能的升高值。把兩數進行比較就可以求出熱功當量的準確值來。

隨後，焦耳還用鯨魚油或水銀代替水來做實驗，他用各種方法進行了四百多次實驗經過更精確地測量，得到的熱功當量值為1卡=4.15焦耳，非常接近目前採用的1卡=4.184焦耳。在當時的條件下，能做出這樣精確的實驗來，是非常不容易的。焦耳準確地測定了熱功當量，進一步證明了能的轉化和守恆定律是客觀真理。這一定律的確定，宣告了製造「永動機」的幻想徹底破滅