Tại sao phát hiện ra calories lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Ngày nay chúng ta đều đã biết đến công cơ học, điện năng, động năng, nhiệt năng và điện từ… có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau. Mặc dù qua quá trình chuyển hóa có xuất hiện mất mát nhưng việc chuyển hóa là hoàn toàn có thể thực hiện được. Nắm được lý thuyết đó sẽ giúp ích rất nhiều cho phát triển công nghiệp và kĩ thuật, thế nhưng cách đây 200 năm lại không có ai nghĩ ra được điều này.

James Joule đã phát hiện mỗi hình thức năng lượng đều có thể chuyển hóa thành nhiệt lượng với một lượng tương tự. Ông là nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu về khái niệm cơ bản của năng lượng và sự tương đương của các hình thức năng lượng. Phát hiện của James Joule là nền tảng quan trọng cho sự ra đời của định luật bảo toàn năng lượng (40 năm sau) và phát triển lĩnh vực nhiệt học.

Calo đã được phát hiện ra như thế nào?

James Joule sinh vào trước đêm Noel của năm 1818, ông lớn lên trong gia đình khá giả làm nghề nấu rượu ở vùng Lancashire của nước Anh. Ông học các môn tự nhiên tử một gia sư riêng, năm 20 tuổi ông bắt đầu làm việc trong xưởng nấu rượu của gia định.

Công việc đầu tiên mà Joule chọn cho mình là nghiên cứu cải tạo xưởng nấu rượu, chính là chuyển hóa các khí hơi thành một loại điện năng “hiện đại” mới. Ông ra sức nghiên cứu các loại động cơ và việc cung cấp năng lượng, nghiên cứu các loại động cơ và việc cung cấp năng lượng, nghiên cứu các mạch năng lượng điện và nóng lên. Phát hiện đó đã lôi cuốn ông, thu hút sự tập trung của ông vào sự chuyển hóa của điện năng thành nhiệt năng.

James Joule cho rằng sự hao hụt của điện năng trong quá trình chuyển hóa năng lượng là rất quan trọng, và ông bắt đầu làm thí nghiệm nghiên cứu năng lượng đã chuyển hóa từ điện năng thành nhiệt năng như thế nào. Khi James Joule làm thí nghiệm, ông thường xuyên không để ý gì đến sự an toàn của mình và người xung quanh, đã không dưới một lần người hầu gái của ông bị điện giật ngất xỉu trong suốt quá trình làm thí nghiệm. Mặ dù ông đã không chuyển hóa được năng lượng điện của xưởng nấu rượu nhưng những thí nghiệm này đã hướng sự tập trung của ông sang nghiên cứu sự chuyển hóa qua lại của năng lượng.

Trọng tâm nghiên cứu của James Joule là chuyển cơ năng thành nhiệt năng. Trong cuộc sống thường ngày của chúng ta, bất kỳ vật thể nào di động (mang cơ năng) cuối cùng cũng đều phải dừng lại. Vậy năng lượng của chúng thì sao? James Joule đã thiết kế một loạt các thí nghiệm, dùng nước để đo sự chuyển hóa từ vận động cơ học sang nhiệt học.

Hai thí nghiệm của James Joule vô cùng nổi tiếng. Thí nghiệm thứ nhất là: ông nhấn 1 ống xi lanh bằng đồng chứa không khí vào trong bình nước, sau đó đo nhiệt độ của nước. Tiếp theo ông bơm khí vào trong xi lanh cho đến khi áp suất không khí đạt 22 atmospheres. Định luật chất khí chỉ ra rằng công cơ học làm tăng áp suất không khí và có khả năng sinh ra nhiệt lượng, khả năng đó liệu có thể xảy ra không? James Joule phát hiện ra nhiệt độ nước tăng lên 0.2850 F. Như vậy là công năng đã chuyển hóa thành nhiệt năng.

Thí nghiệm thứ hai là: James Joule gắn một dụng cụ có hình guồng nước lên trên một trục đứng ngập trong bình nước. Sau đó ông điều khiển làm chuyển động guồng nước quay trong nước, công năng có khả năng chuyển hóa thành nhiệt năng không?

Kết quả đã không được như mong đợi, sau đó James Joule đã thử làm lại thí nghiệm nhưng thay nước bằng dung dịch thủ ngân. Với loại chất lỏng có mật độ dày này, James Joule đã dễ dàng chứng minh: công cơ học đã chuyển hóa thành nhiệt năng với một tỉ lệ cố định, vì chỉ bằng một vài thao tác đảo trộn đơn giản mà nhiệt độ của chất lỏng đã tăng lên.

James Joule nhận định tất cả các dạng năng lượng đều có thể chuyển hóa thành nhiệt lượng theo một tỉ lệ cố định. Năm 1843, ông đã công bố kết quả nghiên cứu đồng thời sử dụng đơn vị năng lượng tiêu chuẩn để tính toán những tỉ lệ cố định này. Từ đó về sau các nhà vật lý và hóa học đã sử dụng đơn vị này và gọi nó là Joule(jun). Các nhà sinh vật học lại thích dùng calo để làm đơn vị (1 calo = 4.18 jun).

Phát hiện này của Joule đã chứng minh tất cả các dạng năng lượng đều có thể chuyển hóa thành nhiệt lượng theo tỉ lệ cố định, James Joule đã tạo tiền đề cho sự phát triển của các lĩnh vực nghiên cứu về năng lượng, cơ học và công nghệ.

schoolnet@