焦耳

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 ^[3]  。

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 ^[3]  。

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温。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佈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 ^[3]  。

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 ^[3]  。

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，測量水温以計算熱量。這樣在沒有外界電源供電的情況下，水温的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果 ^[3]  。

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 ^[3]  。

1847年，焦耳設計了更巧妙的實驗，他在量熱器裏裝了水，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温度，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 ^[3]  。

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 ^[3]  。

焦耳定律是指電能和熱能的轉化關係，它是英國物理學家焦耳在1841年發現的。焦耳定律的具體內容是：電流通過導體所產生的熱量與電流的平方成正比，與導體的電阻成正比，與通電時間成正比 ^[5]  。

焦耳定律的數學公式是Q=I²Rt，其中Q表示熱量，單位是焦耳；I表示電流，單位是安培；R表示電阻，單位是歐姆；t表示時間，單位是秒。這個公式適用於所有電流熱效應的計算 ^[5]  。

焦耳在用電阻絲給水加熱的時候發現，設置不同的參數，電阻絲產生的熱量就不一樣，水的温度也就不同。他決定對其展開定量研究。通過大量的實驗，焦耳最終發現了焦耳定律。焦耳定律為電路照明設計、電熱設備設計和計算電力設備的發熱提供了依據 ^[5]  。

在純電阻電路中，以焦耳定律的公式為依據，還能推導出其他的計算電路熱量的公式。但是需要注意的是，焦耳定律的公式適用於所有電路，而推導出來的公式只適用於純電阻電路 ^[5]  。

國際單位制用焦[耳](J)表示功或能的單位。1焦耳等於在1牛力作用下，在該力的方向上運動1米所做的功；在電學中等於1W・s，即1A的電流流過1Ω的電阻在1秒內釋放的能量 ^[6]  。

以毛細管電泳為例：毛細管電泳需要電場做功，有電場做功就會產生熱量，這就是焦耳熱。這種焦耳熱視其程度不同，可形成不同的温度梯度，甚或引起溶液對流、出現氣泡等。氣泡會使電泳中斷，而温度梯度和對流會大幅度降低分離效率 ^[4]  。

在傳統電泳中，為了避免對流，採用各種難流動或不流動物質作為電泳支持介質，如纖維素和凝膠等，這實際上是一種“堵”的方法 ^[4]  。

與此相反，在毛細管電泳中則採用消除“源”的策略，即通過縮小毛細管內徑來加快散熱的速度，以達到克服焦耳熱效應的目的。可以預見，不同毛細管的散熱能力肯定各有差異，其分離效果也必然會各有差異，所以如果能夠預先推出關於毛細管在電泳過程中的散熱性能或温度分佈，將會十分有用 ^[4]  。