I. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG
1.1.2. Joule và việc xây dựng cơ sở thực nghiệm cho định luật bảo toàn và chuyển
hóa năng lượng
Joule (1818 - 1889) là chủ một nhà máy sản xuất rượu bia lớn ở Anh, nhưng rất say mê nghiên cứu về điện. Từ năm 1840 đến 1850, ông đã thực hiện rất nhiều thí nghiệm để tìm mối liên hệ giữa công và nhiệt lượng. Khi lắp ráp các thí nghiệm của
mình, Joule đã dựa theo cách gợi ý của Faraday và các nhà khoa học khác. Dùng thực nghiệm để nghiên cứu, năm 1841 ông đã công bố trên “Tạp chí triết học” một bài báo nói về hiệu ứng nhiệt của dòng điện, trong đó ông nêu lên rằng nhiệt lượng tỏa ra trong một dây dẫn tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện đi qua dây dẫn đó. Cũng vào thời gian này, nhà khoa học Lenz cũng nghiên cứu vấn đề đó một cách toàn diện và chính xác hơn nên đã tìm ra một định luật đầy đủ công bố năm 1843. Định luật đó sau này mang tên là định luật Joule – Lenz. Trong quá trình nghiên cứu, Joule đã phỏng đoán rằng nhiệt lượng tỏa ra trong dây dẫn là do các phản ứng hóa học trong bộ pin gây ra. Sau đó, bằng thực nghiệm ông đã xác định được rằng lượng nhiệt tỏa ra trong toàn mạch đúng bằng lượng nhiệt của phản ứng hóa học xảy ra trong bộ pin. Sau này ông còn dùng thực nghiệm chứng tỏ rằng định luật này không chỉ đúng với dòng điện của pin Volta, mà còn đúng với dòng điện cảm ứng. Trước hết ông khảo sát lượng nhiệt do dòng điện cảm ứng gây ra bằng cách đặt một cuộn dây có lõi sắt vào một bình nước và cho cả bình quay trong từ trường. Sau khi đo nhiệt lượng tỏa ra và đo dòng điện cảm ứng, ông đi đến kết luận rằng dòng điện cảm ứng cũng tỏa nhiệt, và nhiệt lượng tỏa ra cũng tỉ lệ với điện trở và với bình phương cường độ dòng điện. Cuối cùng ông dùng các quả nặng rơi để bắt cuộn dây dẫn nói trên quay trong từ trường nhằm tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây. Sau khi đo nhiệt lượng tỏa ra và công do các quả nặng rơi thực hiện, ông tính được đương lượng cơ của nhiệt bằng 460 kGm/kCal.
Những thí nghiệm và kết quả nói trên được Joule công bố năm 1843 trong công trình “Về hiệu quả nhiệt của điện từ và hiệu quả nhiệt của cơ học”. Trong công trình này, ông nêu rõ “Những lực hùng vĩ của thiên nhiên… không thể bị hủy diệt… trong mọi trường hợp, khi tiêu hao lực cơ học, ta thu được một lượng nhiệt tương đương đúng với nó”.
Joule tiếp tục thực hiện một loạt thí nghiệm để nghiên cứu sự chuyển hóa giữa nhiệt và công, và để xác định đương lượng cơ học của nhiệt bằng nhiều cách khác nhau, đặc biệt bằng cách cho công cơ học biến đổi trực tiếp thành nhiệt mà không cần đến sự trung gian của dòng điện. Năm 1849 đến 1850, ông thực hiện một thí nghiệm đã trở thành kinh điển và được mô tả trong các sách giáo khoa. Ông dùng các quả nặng rơi để bắt một trục có gắn các tấm chắn quay tròn trong một bình nhiệt lượng kế chứa đầy nước, ma sát của các tấm chắn đã làm cho nước trong bình nóng lên. Trong thí nghiệm này ông đã trực
tiếp bắt công cơ học biến thành nhiệt mà không thông qua dòng điện, nhờ đó ông xác định được đương lượng cơ của nhiệt khá chính xác, vào khoảng 424 kGm/kCal.
Nhờ những công trình thực nghiệm xuất sắc ở trên, Joule được coi là một trong những nhà khoa học đã phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.