焦耳

物理学单位

焦耳是国际单位制（SI）中能量的导出单位 , 简称为焦，单位符号为J（joule）。1焦耳等于 1 牛顿力使其作用点在力的方向上位移 1 米所做的功。

定义

一焦耳定义为 1 牛顿力使其作用点在力的方向上位移1 米所做的功。此外，一焦耳还可以定义为：

单位表示

焦耳单位可表示为：

一焦耳具体值

以下是一焦耳具体值的常见例子（部分数值为近似值）：

千焦耳具体值

应用千焦耳(kJ，1 kJ = 1000 J) 的例子：

焦耳相关单位

单位转换

瓦秒

瓦秒（符号为 W·s）是能量的衍生单位，等同于焦耳。瓦秒是相当于一瓦特功率持续一秒钟的能量。尽管瓦秒在单位和含义上与焦耳等价，但在某些上下文中，例如在评价摄影电子闪光设备的性能时，习惯上会使用“瓦秒”这一术语而不是“焦耳”。瓦秒（符号为 W·s）是能量的衍生单位，等同于焦耳。瓦秒是相当于一瓦特功率持续一秒钟的能量。尽管瓦秒在单位和含义上与焦耳等价，但在某些上下文中，例如在评价摄影电子闪光设备的性能时，习惯上会使用“瓦秒”这一术语而不是“焦耳”。

力矩单位

虽然在单位方面，将焦耳写成牛顿·米（N·m）是正确的，但为了避免与力矩单位(牛顿·米)发生混淆，国际计量局并不鼓励这种用法。

力矩与能量的物理意义完全不同。就物理量本身来说，能量由力和距离内积得到，是标量；力矩由力和距离外积得到，是矢量。二者有根本的不同。

焦耳定律

焦耳定律给出了电能向热能转化的定量关系，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为

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实验中发现，设置不同的参数时，电阻丝产生的热量就不一样，水的温度也随之不同。他决定对此进行定量研究。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、电热设备设计以及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。

焦耳热

电热设备设计

焦耳定律是电热设备设计的基础。在电热水壶和电炉等设备中，这一原理被用来高效地将电能转化为热能，以达到加热的目的。电热水壶中的加热元件和电炉的加热丝都是基于焦耳热的直接应用。这些设备中的电阻元件在通电后产生热量，根据焦耳定律（），热量与电流的平方、电阻以及通电时间成正比。设计这类设备时，工程师会根据所需的热量输出选择适当的电阻材料和电流大小，以确保既高效又安全。

电力输送

在电力输送系统中，由于电线和电缆具有电阻，电流通过时会产生焦耳热，导致能量损失并增加系统的运行成本。因此，在设计电力输送系统时，需要考虑到线材的电阻和通过的电流大小，以使焦耳热损失尽量小。

电子设备散热

电子设备（如计算机和手机）中的电子元件在工作时也会产生焦耳热。过多的热量积累会影响设备性能甚至造成损坏。因此，有效的散热系统（如散热片、风扇和液体冷却系统）是电子设备设计中不可或缺的一部分，以确保焦耳热被有效地管理和散发。

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动机，他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电动机以提高工作效率。

1837年，焦耳制成了用电池驱动的电动机，但由于支持电动机工作的电流来自锌电池，而锌的价格昂贵，用电动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。

发展历史

在 1881 年的第一届国际电气大会上，cgs 系统被正式宣布采用。1882年，能量单位” 尔格” 被采纳为其能量单位。威廉·西门子在 1882 年 8 月 23日作为英国科学促进会主席的就职演讲中首次提出以焦耳为热量单位，该单位由电磁单位安培和欧姆派生而来，在 cgs 单位中相当于 107 尔格。西门子提出以詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818-1889）的名字命名该单位，当时焦耳已退休但仍然健在（63 岁）。西门子说：

“如果这样一个热量单位被接受，我认为，非常适当地可以以那位在发展热动力学理论方面做出了巨大贡献的人的名字命名，即焦耳。”

在 1889 年 8 月 31 日的第二届国际电气大会上，“焦耳”“瓦特”与随后被命名为“亨利”的单位一同被正式采纳。焦耳在同年 10 月 11 日去世。在第四届大会（1893 年），定义了“国际安培”和“国际欧姆”，对其测量规格进行了微小的更改，“国际焦耳”是从它们派生的单位。

1935 年，国际电工委员会（作为国际电气大会的继任机构）采纳了“乔治系统”，该系统通过假定磁常数的一个确定值，也隐含了对焦耳的重新定义。 1946 年，乔治系统得到了国际度量衡委员会的批准。焦耳不再基于电磁单位定义，而是定义为一单位力（当时尚未命名为牛顿）在 1 米距离上所做功的单位。焦耳明确被用作在电磁和机械环境中的能量单位。在1948 年的第九次度量衡大会上批准的定义，增加规定了焦耳也是在热量计量学上首选的热量单位，从而正式淘汰了卡路里的使用。这一定义是 1960年现代国际单位制采用焦耳之前的前身。

自 1946 年以来，焦耳的定义为未发生变化，但作为衍生单位的焦耳继承了秒（在 1960 年和 1967 年）、米（在 1983 年）和千克（在 2019 年）定义的变化。

营养学的应用

营养学上，能量单位使用最多的是千焦耳。有些国家，如美国和加拿大仍继续使用卡路里（calorie，cal）和千卡（kilocalorie ，kcal）。其换算关系如下：１ cal = 4.184 J；在中国，食品营养标签上一般只给出千焦耳（kJ）。

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