I. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG
1.1.3. Helmholtz với việc khảo sát định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng
trong các hiện tượng vật lý
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đã được Mayer phát biểu một cách tổng quát và Joule chứng minh bằng thực nghiệm. Tuy nhiên còn cần đến công sức của nhiều nhà khoa học khác nữa, trước khi nó được các nhà vật lý học công nhận là một định luật tổng quát của thiên nhiên.
Helmholtz (1821 - 1894) là một bác sĩ người Đức, gia đình ông làm nghề kinh doanh vàng. Năm 16 tuổi, ông nhận được học bổng học chuyên ngành y học của chính phủ nhưng với điều kiện là sau khi tốt nghiệp phải phục vụ trong quân đội Phổ 10 năm. Và thế là Helmholtz lên đường đến học viện y học Beclin để theo đuổi học ngành y, thế nhưng ông lại thường xuyên tìm đến trường đại học Beclin để học hóa học và sinh lý học. Trong thời gian phục vụ trong quân đội, Helmholtz đã tập trung nghiên cứu vật lý. Năm 1847, ông báo cáo trước hội vật lý Berlin “Về vấn đề bảo toàn các lực”. Đối với một hệ chất điểm cô lập, ông nêu lên: “Tổng các lực căng và các hoạt lực trong một hệ bao giờ cũng không đổi” (theo cách nói hiện nay thì: tổng các thế năng và động năng là không đổi). Ông coi đó là dạng tổng quát nhất của nguyên lí bảo toàn “các lực”. Như vậy là ông đã nêu ra định luật bảo toàn cơ năng.
Sau này ông hiểu rằng định luật bảo toàn “các lực” phải có nội dung rộng rãi hơn và ông tiếp tục khảo sát về vấn đề chuyển hóa các dạng năng lượng khác nhau trong các quá trình vật lý.
Trước hết Helmholtz nghiên cứu các quá trình chuyển hóa trong cơ học, tức là chuyển hóa động năng thành thế năng và ngược lại. Tiếp theo ông nghiên cứu sự chuyển hóa cơ năng thành nhiệt năng và tìm lại được kết quả của Joule về đương lượng cơ của nhiệt. Sau đó ông chuyển sang nghiên cứu các hiện tượng điện. Ông xác định năng lượng của tụ điện đã được nạp điện bằng q2/2C, trong đó q là điện tích và C là điện dung của tụ điện. Khi phóng điện, năng lượng đó biến thành nhiệt năng tỏa ra trong dây dẫn nối hai bản của tụ điện. Khi khảo sát các hiện tượng điện từ, ông đã sử dụng định luật bảo toàn năng lượng để tính ra sức điện động cảm ứng và rút ra định luật cảm ứng điện từ. Đối với
sóng ánh sáng, ông đi đến kết luận rằng khi có giao thoa ánh sáng, năng lượng của nó không bị tiêu hủy tại chỗ mà chỉ được phân bố lại, nó chỉ bị giảm khi sóng ánh sáng bị hấp thụ và khi đó nó chuyển thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng hoặc hóa năng. Qua các nghiên cứu của mình, ông đã chứng minh rằng cơ năng, nhiệt năng, điện năng và quang năng đều là những dạng thể hiện khác nhau của năng lượng. Đại lượng này tuy có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, nhưng lại có giá trị không đổi đối với một hệ cô lập.
Cuối cùng ông kết luận: “Tôi nghĩ rằng những dữ kiện kể trên chứng minh rằng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng không mâu thuẫn với bất kì một sự kiện nào đã biết của tự nhiên và được một số lớn các sự kiện đó khẳng định một cách rõ rệt… Việc khẳng định định luật đó một cách hoàn toàn phải được coi là một trong những nhiệm vụ chủ yếu của vật lý học trong tương lai gần đây”.
Như vậy: Mayer, Joule và Helmholtz đã đi đến định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng bằng những con đường khác nhau. Mayer bắt đầu bằng những quan sát y học và ngay sau đó đã coi nó là một định luật sâu sắc và có tính bao trùm dù ông không chứng minh. Joule thì kiên trì và cần mẫn thực hiện nhiều thí nghiệm để đo đi, đo lại quan hệ số lượng giữa nhiệt và công cơ học. Còn Helmholtz thì đi đến định luật này bằng việc khảo sát rất nhiều các hiện tượng vật lý. Tuy nhiên cũng cần nhấn mạnh rằng các nhà vật lý học nửa đầu thế kỷ XIX hết sức coi trong thực nghiệm, đến mức không công nhận bất kỳ chân lý khoa học nào chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Trong khi đó thì định luật bào toàn và chuyển hóa năng lượng là một định luật rất tổng quát, do đó mà cũng rất trừu tượng và bao quát trong nó cả những hiện tượng thiên nhiên chưa được nghiên cứu kỹ, thậm chí chưa được biết đến. Vì vậy, sự ra đời của định luật là cả một quá trình khó khăn, đầy mâu thuẫn và bị các nhà vật lý học có uy tín nghi ngờ và chống lại. Do đó sau những công trình cơ bản của Mayer, Joule và Helmholtz còn cần đến sự đóng góp của nhiều nhà khoa học khác nữa, cần những nghiên cứu tiếp theo về sự biến đổi nhiệt và công, những áp dụng kỹ thuật của quá trình đó để làm cho định luật này được công nhận một cách trọn vẹn. Cụ thể là những đóng góp quan trọng của:
- William Thomson (1824 - 1907) nhà bác học người Anh đã chứng minh rằng: “Tổng số công cơ học dùng để tạo ra chuyển động gây cảm ứng điện từ phải tương đương với hiệu quả cơ học của dòng điện”.
- Clausius (1822 - 1888) nhà bác học người Đức đã rút ra kết luận “Giống như nhờ nhiệt có thể tạo ra công cơ học, dòng điện có khả năng một phần gây ra tác dụng cơ học và một phần gây ra nhiệt”.
- Rankine (1820 - 1872) nhà bác học người Scotland là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “năng lượng” và đưa ra định nghĩa “năng lượng là khả năng sinh công” và “số lượng năng lượng được đo bằng số lượng công mà nó có khả năng sinh ra”.
Tóm lại, định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn trong thực tiễn khoa học và kỹ thuật. Tới những năm 50 của thế kỷ XIX , định luật này đã được các nhà khoa học công nhận như một định luật tổng quát của thiên nhiên, có thể áp dụng cho cả thế giới vĩ mô và vi mô, bao quát mọi hiện tượng vật lý. Việc phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một bước tiến cách mạng trong sự phát triển của vật lý học và của khoa học nói chung. Việc phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng đã tạo ra một cơ sở mới cho sự phát triển của nhiệt động lực học và vật lý hạt nhân. Bên cạnh đó định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng còn là cơ sở khoa học để giải thích hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và các quá trình phóng xạ.
Ngày nay các nhà khoa học tin rằng không thể có bất kỳ quá trình vật lý học nào diễn ra mà lại vi phạm định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.