Sự Hình Thành Và Phát Triển định Luật Bảo Toàn Và Chuyển Hóa Năng ...

Như chúng ta đã biết định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một định luật rất cơ bản trong khoa học. Nhưng khái niệm năng lượng lại là một khái niệm rất trừu tượng, khó nhận thức. Vì vậy phải trải qua một quá trình lâu dài, khái niệm năng lượng và định luật bào toàn, chuyển hóa năng lượng mới được hoàn chỉnh như hiện nay. Việc phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một công trình tập thể của nhiều nhà khoa học, trong đó nổi bật nhất là công trình của bác sĩ Mayer, nhà sản xuất rượu bia Joule và bác sĩ Helmholtz. Ba ông cùng đi đến định luật bằng những con đường riêng độc lập nhau.

Như chúng ta đã biết định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một định luật rất cơ bản trong khoa học. Nhưng khái niệm năng lượng lại là một khái niệm rất trừu tượng, khó nhận thức. Vì vậy phải trải qua một quá trình lâu dài, khái niệm năng lượng và định luật bào toàn, chuyển hóa năng lượng mới được hoàn chỉnh như hiện nay. Việc phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một công trình tập thể của nhiều nhà khoa học, trong đó nổi bật nhất là công trình của bác sĩ Mayer, nhà sản xuất rượu bia Joule và bác sĩ Helmholtz. Ba ông cùng đi đến định luật bằng những con đường riêng độc lập nhau.

a. Mayer và những quan niệm tổng quát về sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Mayer (1814 - 1878) là bác sỹ y khoa làm việc trên một tàu viễn dương. Trong một chuyến đi dài ngày từ châu Âu đến đảo Giava, ông đã chú ý đến hiện tượng đặc biệt: khi chích máu nhiều lần cho các bệnh nhân lúc tàu đi qua các miền nhiệt đới, ông nhận thấy máu lấy từ tĩnh mạch có màu đỏ gần giống với máu lấy từ động mạch. Ông kết luận rằng sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể người và môi trường phải có mối quan hệ số lượng với sự chênh lệch màu sắc giữa máu tĩnh mạch và máu ở động mạch. Sự chênh lệch về màu sắc đó thể hiện mức độ nhu cầu của cơ thể về ôxi, tức là mức độ quá trình cháy diễn ra trong cơ thể.

Ở thời Mayer, người ta cho rằng những quá trình sinh lý diễn ra trong cơ thể sống không xảy ra theo những định luật về vật lý và hoá học, vì chúng chỉ phụ thuộc vào nguồn “sinh lực” bí hiểm. Bằng những quan sát của mình, Mayer muốn chứng minh rằng cơ thể sống cũng tuân theo sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Năm 1841, sau chuyến đi biển, ông viết một công trình đề : “Về việc xác định các lực về mặt số lượng và chất lượng”, và gởi tới tạp chí “ Biên niên vật lý học”. Poghendoc, tổng biên tập tạp chí, đã không đăng bài đó cũng không trả lại bản thảo cho tác giả. Ba mươi sáu năm sau, người ta lại tìm thấy bài báo này trên bàn giấy của Pôghendoc, khi ông đã chết.

Trong bài báo đó, với những lập luận chưa rõ ràng, không có thí nghiệm, không có tính toán định lượng, ông nói về những “lực không thể bị huỷ diệt”. Ở phần kết, ông viết “ Chuyển động, nhiệt và cả điện nữa, như chúng tôi dự định sẽ chứng minh sau này, là những hiện tượng mà có thể quy về cùng một lực, có thể đo được cái này bằng cái kia, và chuyển hoá cái nọ thành cái kia theo những quy luật nhất định”. Ở đây chưa phát biểu lên một định luật nào nhưng đã toát lên được một dự cảm rõ nét về một định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Poghendoc đánh giá đó là một bài báo mang tính triết học chung chung.

Năm 1842, Mayer gửi công trình thứ hai mang tên “Nhận xét về các lực của thế giới vô sinh” đăng trên tạp chí “ Biên niên hoá học và dược học”. Ông đưa ra lập luận chung: “lực” là nguyên nhân gây ra mọi hiện tượng, mỗi hiện tượng đều là một hiệu quả nào đó của những hiện tượng nào đó trước nó, và cũng là những hiện tượng nào đó sau nó. Trong chuỗi vô hạn các nguyên nhân và hiệu quả, không có số hạng nào có thể bị triệt tiêu, và do đó “lực” không thể bị huỷ diệt. Sau đó Mayer phân tích sự chuyển hoá “lực rơi”( thế năng) của một vật thành “hoạt lực”(động năng) của nó, sự chuyển hoá “hoạt lực” thành“lực rơi”, hoặc “hoạt lực” thành nhiệt. Ông kết luận “ Lực là những đối tượng không trọng lượng, không bị huỷ diệt, và có khả năng chuyển hoá”. Như vậy, định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng lúc này đã được Mayer phát biểu một cách rõ ràng.

Sau đó, dựa vào hệ thức giữa nhiệt dung đẳng áp và nhiệt dung đẳng tích của một chất khí CP-CV=R, Mayer đã tính ra đương lượng cơ của nhiệt là 365 kGm/kcal (con số chính xác ngày nay đo được là 4,19 J/cal =427 kGm/kcal). Ông rút ra kết luận: “Việc thả cho một đơn vị trọng lượng rơi xuống từ độ cao 365m ứng với việc làm nóng một lượng nước có trọng lượng bằng như thế nóng lên từ 00đến 10. Như vậy, Mayer đã chỉ ra phương pháp xác định đương lượng cơ của nhiệt bằng thực nghiệm. Từ đó, Mayer đã nêu ra rằng hiệu suất của các máy hơi nước là hết sức thấp, phải tìm ra cách để biến nhiệt thành công một cách có hiệu quả hơn.

Năm 1845, Mayer hoàn thành một công trình mới: “Chuyển động hữu cơ trong mối liên hệ với sự trao đổi chất”. “Biên niên hoá học và dược học” không nhận đăng bài này, vì đang cần đăng nhiều ông trình mới về hoá học. Mayer quyết định tự xuất bản công trình này thành một quyển sách nhỏ. Ông tìm cách vận dụng những tư tưởng cơ học vào sinh học. Ông nêu rằng “ lực” là nguyên nhân của mọi chuyển động, “hiệu quả cơ học”(cơ năng) bao gồm “lực rơi” và “hoạt lực”, và “nhiệt cũng là một lực”, nó có thể biến thành hiệu quả cơ học. Ông tính lại đương lượng cơ của nhiệt là 367 kGm/kcal. Khi khảo sát các hiện tượng điện và từ, ông nêu rằng “sự tiêu hao hiệu quả cơ học có thể gây ra lực căng điện hoặc lực căng từ”. Trong phần kết luận, ông viết :“ Thiên nhiên tự đặt cho mình một nhiệm vụ chặn bắt ánh sáng của mặt trời đang chảy liên tục đến trái đất, và tích luỹ các lực cực kì linh hoạt ấy, đưa nó về trạng thái bất động. Để đạt được mục đích ấy, thiên nhiên bao phủ trái đất bằng những cơ thể mà khi sống chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời, và khi sử dụng lực Mặt trời đó thì làm nảy sinh một lượng hoá học được đổi mới liên tục. Các cơ thể đó chính là các loài thực vật”. Như vậy, Mayer đã nêu được vai trò của cây xanh trong việc chuyển hoá năng lượng của vũ trụ bằng sự quang hợp.

Trong ba công trình nói trên, Mayer đã nêu lên được tư tưởng tổng quát về bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, đã phân tích những trường hợp cụ thể về việc chuyển hoá năng lượng, đã tìm ra một cách tính đương lượng cơ của nhiệt, và nêu lên được bức tranh tổng quát về chuyển hoá năng lượng trong vũ trụ. Không may cho ông, công trình thứ nhất của ông đã không được công bố, công trình thứ hai in trên một tạp chí không được các nhà vật lý đọc đến, vì lúc đó ông chưa là một nhân vật có tên tuổi. Một số nhà khoa học khác không biết đến công trình của ông, đã nghiên cứu theo cách riêng của mình và cũng đã đi đến những kết quả tương tự. Trong hoàn cảnh đó, một số nhà khoa học có đầu óc hẹp hòi, cục bộ, muốn giành vinh quang cho “người đằng mình”, đã khơi lên một cuộc tranh cãi ồn ào về quyền ưu tiên phát minh, và gọi Mayer là kẻ hám danh, là kẻ cướp công người khác,…Mayer bị một cú sốc quá lớn, và lúc thần kinh quá căng thẳng, ông đã nhảy qua cửa sổ định tự tử vào năm 1850. Ông đã được cứu sống, nhưng đã bị thọt và mang tật suốt đời.

Các nhà vật lý đã rất công bằng, đã công nhận ông là người đầu tiên phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng, và để ghi nhớ công ơn của ông đối với vật lý, người ta đặt hệ thức CP- CV=R là “phương trình Mayer”.

b. 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 Lentz 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 – Lentz. 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 dược 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 cảm ứng gây ra bẳng 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.

c.Helmholtz với việc khảo sát định luật bải 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 lý 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 khóa 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 dự 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 nhả 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.

(Theo http://dayhocvatly.com)

Nhắn tin cho tác giả Nguyễn Thị Kiều Loan @ 16:44 27/06/2014 Số lượt xem: 13345 Số lượt thích: 0 người