Bạn đang xem bài viết Định Luật Bảo Toàn Năng Lượng – Kipkis được cập nhật mới nhất trên website 2atlantic.edu.vn. Hy vọng những thông tin mà chúng tôi đã chia sẻ là hữu ích với bạn. Nếu nội dung hay, ý nghĩa bạn hãy chia sẻ với bạn bè của mình và luôn theo dõi, ủng hộ chúng tôi để cập nhật những thông tin mới nhất.
Khám phá số 35: Định luật bảo toàn năng lượng
– Thời gian phát hiện: năm 1847.
– Nội dung phát hiện: năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi, nó có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác nhưng trong một hệ kín tổng năng lượng luôn được bảo toàn.
– Người phát hiện: Hermann von Helmholtz.
Tại sao định luật Bảo toàn năng lượng lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?
Năng lượng không tự nhiên mất đi, nó có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, nhưng tổng năng lượng luôn được bảo toàn. Dựa theo nguyên lý này mà các nhà khoa học và các kiến trúc sư có thể chế tạo ra hệ thống năng lượng, mang điện đến cho mọi nhà tạo ra những chiếc ô tô. Nguyên lý đó được gọi là định luật Bảo toàn năng lượng, là một trong những phát hiện quan trọng nhất của tất cả các lĩnh vực khoa học và là nguyên lý cơ bản nhất trong toàn giới tự nhiên. Đây lá định luật nhiệt động lực đầu tiên, là chìa khóa để đi tìm lời giải cho sự chuyển hóa năng lượng và tính hoán đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau. Helmholtz đã tổng hợp tất cả những nghiên cứu và tư liệu để phát hiện ra nguyên lý này, phát hiện của ông đã vĩnh viễn làm thay đổi khoa học và công trình học.
Định luật bảo toàn năng lượng đã được tìm ra như thế nào?
Hermann von Helmholtz sinh năm 1821 tại Postdam nước 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 để chứng minh công do cơ bắp sinh ra đều bắt nguồn từ nguyên lý hóa học và vật lý chứ không phải là một loại “sinh lực không rõ ràng” nào đó. Rất nhiều những nhà nghiên cứu đã sử dụng từ “sinh lực” để giải thích cho những cái họ không thể giải thích nổi, dường như “sinh lực” này có thể tạo ra năng lượng một cách liên tục không bao giờ ngưng nghỉ mà không dựa trên cơ sở nào.
Helmholtz muốn chững minh rằng tất cả sự vận động của cơ bắp đều có thể được giải thích bằng việc nghiên cứu vật lý (cơ học) và phản ứng hóa học trong cơ thể người, ông muốn xóa bỏ lý luận về “sinh lực”. Qua quá trình nghiên cứu, Helmholtz càng tin tưởng vào khái niệm lực tác dụng và bảo toàn năng lượng, công không tự nhiên sinh ra mà nó cũng không tự nhiên bị mất đi.
Helmholtz còn học cả toán học với mục đích miêu tả hóa học có thể chuyển hóa thành động năng (vận động và công), biến đổi cơ bắp chuyển hóa thành công. Ông muốn chứng minh tất cả công đều có thể được giải thích thông qua những quá trình vật lý tự nhiên này.
Helmholtz miệt mài tìm cách chứng minh công không tự nhiên sinh ra một cách liên tục mà không có cơ sở. Với phát hiện này, ông đã đưa ra định luật bảo toàn năng lượng.
Helmholtz quyết định mở rộng phạm vi của nguyên lý bảo toàn năng lượng, đem nó ứng dụng vào các trường hợp khác nhau. Do vậy ông đã nghiên cứu rất nhiều những phát hiện của các nhà khoa học như James Joule, Julius Mayer, Piể Laplace, Antoine Lavoisier cùng nhiều nhà khoa học khác đã từng có những nghiên cứu về sự chuyển hóa qua lại hay sự bảo toàn của một loại năng lượng nào đó (ví dụ như động lượng).
Helmholtz đã phát triển những lý luận sẵn có trên cơ sở thực nghiệm, kết quả đã lần lượt chứng minh năng lượng vĩnh viễn không tự nhiên mất đi, nó có thể chuyển hóa thành nhiệt, âm thanh, ánh sáng… Nhưng chúng ta luôn có thể tìm thấy nó và giải thích được nó.
Năm 1847, Helmholtz nhận ra những nghiên cứu của ông đã chứng minh lý luận phổ biến của bảo toàn năng lượng là: năng lượng trong vũ trụ (hay bất kì một hệ kín nào) luôn bảo toàn, năng lượng có thể chuyển hóa dưới nhiều dạng khác nhau như điện, từ, hóa năng, động năng, quang năng, nhiệt năng, âm thanh, thế năng…, nhưng năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi.
Thách thức lớn nhất đối với lý luận của Helmholtz đến từ phía các nhà thiên văn học nghiên cứu về mặt trời. Nếu như mặt trời không tự sinh ra ánh sáng và nhiệt năng thì số năng lượng khổng lồ do nó tỏa ra do đâu mà có? Nó không thể giống như vật chất tự đốt cháy mình bằng lửa. Các nhà khoa học từ lâu đã chứng minh: Nếu mặt trời cũng giống như các chất tự đốt cháy mình để sinh ra ánh sáng và nhiệt thì không đầy 20 triệu năm nó sẽ bị cháy hết.
Phải mất đến năm năm, Helmholtz mới làm sáng tỏ được vấn đề, đáp án chính là lực hấp dẫn. Mặt trời bị lún về phái trong nó một cách từ từ, đồng thời lực hấp dẫn đã chuyển hóa thành ánh sáng và nhiệt. Câu trả lời đó của Helmholtz đã được người đười sau ông công nhận (tổng cộng 80 năm cho đến khi phát hiện ra năng lượng hạt nhân ra đời). Nhưng quan trọng hơn cả là định luật bảo toàn đã được phát hiện ra và được công nhận.
Tác phẩm, tác giả, nguồn
Tác phẩm: 100 khám phá khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử
Tác giả: Kim Anh (Tổng hợp, biên soạn)
Nhà xuất bản Văn hoá thông tin
Nguồn: vnschool.net
“Like” us to know more!
Knowledge is power
Áp Dụng Định Luật Bảo Toàn Năng Lượng Và Định Luật Bảo Toàn Động Lượng
Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông của hai tác giả người Nga L. Tarasov và A. Tarasova, sách xuất bản ở Nga năm 1968. Bản dịch lại từ bản tiếng Anh xuất bản năm 1973.
§10. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng
GV: Để mở đầu, tôi muốn nêu ra một vài bài toán đơn giản. Bài thứ nhất: Hai vật trượt không ma sát xuống hai mặt phẳng nghiêng có độ cao H bằng nhau nhưng với hai góc nghiêng khác nhau 2. Vận tốc ban đầu của hai vật bằng không. Tìm vận tốc của hai vật tại cuối đường đi của chúng. Bài thứ hai: Chúng ta biết công thức biểu diễn vận tốc cuối của một vật theo gia tốc và quãng đường đi v = (2as) dùng cho trường hợp khi không có vận tốc ban đầu. Công thức này sẽ có dạng như thế nào nếu như vật có vận tốc ban đầu v0? Bài thứ ba: Một vật được ném từ một độ cao H với vận tốc nằm ngang v0. Tìm vận tốc của nó khi nó rơi chạm đất. Bài thứ tư: Một vật được ném lên hợp một góc với phương ngang với vận tốc ban đầu v0. Tìm độ cao cực đại mà vật lên tới.
HS A: Em sẽ giải bài thứ nhất theo cách như sau. Trước tiên, chúng ta xét một trong hai mặt phẳng nghiêng, chẳng hạn mặt phẳng nghiêng có góc nghiêng 1. Có hai lực tác dụng lên vật: trọng lực P và phản lực pháp tuyến . Ta phân tích lực P thành hai thành phần, một thành phần song song với mặt phẳng nghiêng ( P sin 1) và thành phần kia vuông góc với nó ( P cos 1). Sau đó ta viết phương trình cho những lực vuông góc với mặt phẳng nghiêng:
Vì kết quả cuối cùng không phụ thuộc vào góc nghiêng, nên nó cũng áp dụng được cho mặt phẳng nghiêng thứ hai với góc nghiêng 2.
Để giải bài toán thứ hai, em sẽ sử dụng những phương trình động học đã biết
v = v0 + at s = v0t + at2/2
Từ phương trình thứ nhất ta tìm được . Thay vào cho t trong phương trình thứ hai ta được
Để giải bài thứ ba, trước tiên em sẽ tìm thành phần vận tốc nằm ngang và thành phần vận tốc thẳng đứng của vận tốc ban đầu. Vì vật chuyển động với vận tốc không đổi theo phương ngang nên . Theo phương thẳng đứng, vật chuyển động với gia tốc g nhưng không có vận tốc ban đầu. Do đó, ta có thể sử dụng công thức √(2gH). Vì tổng bình phương hai cạnh của một tam giác vuông bằng với bình phương cạnh huyền, nên kết quả cuối cùng là
Bài toán thứ tư đã đề cập trong §5. Ta cần phân tích vận tốc ban đầu thành những thành phần nằm ngang ( cos) và thẳng đứng ( sin). Sau đó ta xét chuyển động thẳng đứng của vật và, trước tiên, ta tìm thời gian đi lên từ công thức sự phụ thuộc của vận tốc vào thời gian trong chuyển động chậm dần đều (sin), biết rằng lúc vận tốc thẳng đứng của vật biến mất. Như vậy sin = 0, từ đó sin. Thời gian đã biết, giờ ta tìm độ cao H từ công thức đường đi phụ thuộc thời gian của chuyển động chậm dần đều. Như vậy
GV: Trong cả bốn trường hợp em đều đã có đáp số đúng. Tuy nhiên, tôi không hài lòng với cách em giải những bài toán này. Chúng có thể được giải đơn giản hơn nhiều nếu em sử dụng định luật bảo toàn năng lượng. Các em có thể tự thấy điều đó.
Bài thứ nhất. Định luật bảo toàn năng lượng có dạng mgH = mv2/2 (thế năng của vật tại đỉnh mặt phẳng nghiêng bằng với động năng của nó tại chân mặt phẳng nghiêng). Từ phương trình này ta dễ dàng tìm được vận tốc của vật tại chân mặt phẳng nghiêng
Bài thứ hai. Trong trường hợp này, định luật bảo toàn năng lượng có dạng , trong đó mas là công thực hiện bởi lực đang truyền gia tốc a cho vật. Biểu thức này lập tức đưa đến , hay
Bài thứ tư. Tại điểm vật được ném lên, năng lượng của nó bằng mv 02/2. Tại điểm trên cùng của quỹ đạo của nó, năng lượng của vật là . Vì vận tốc tại điểm trên cùng bằng cos, cho nên, sử dụng định luật bảo toàn năng lượng
HS A: Vâng, em thấy khá rõ là những bài toán này có thể giải theo một cách đơn giản hơn nhiều. Tiếc là em đã không sử dụng định luật bảo toàn năng lượng.
GV: Thật không may, các thí sinh thường hay quên định luật này. Cho nên, họ bắt đầu giải những bài toán như vậy bằng những phương pháp rắc rối hơn, do đó làm tăng thêm xác suất sai sót. Lời khuyên của tôi là: hãy linh hoạt hơn và sử dụng rộng rãi định luật bảo toàn năng lượng.
Ở đây nảy sinh vấn đề: Các em có thể sử dụng định luật này thành thạo như thế nào?
HS A: Em thấy dường như không cần kĩ năng đặc biệt nào hết; định luật bảo toàn năng lượng khá đơn giản.
GV: Khả năng áp dụng chính xác một định luật vật lí không được quyết định bởi tính phức tạp hay tính đơn giản của nó. Xét một ví dụ. Giả sử một vật chuyển động với vận tốc không đổi trong một vòng tròn nằm trong mặt phẳng ngang. Không có lực ma sát. Vật chịu một lực hướng tâm. Công thực hiện bởi lực này trong một vòng chuyển động của vật là bao nhiêu?
HS A: Công bằng tích của lực và quãng đường đi mà nó tác dụng. Như vậy, trong trường hợp của chúng ta nó bằng πR = 2, trong đó R là bán kính của vòng tròn, m và v là khối lượng và vận tốc của vật.
GV: Theo định luật bảo toàn năng lượng, công không thể hoàn toàn biến mất. Công em vừa mới tính đã biến thành cái gì?
HS A: Nó dùng để làm quay vật.
GV: Tôi không hiểu. Hãy nói chính xác hơn.
HS A: Nó giữ cho vật chuyển động tròn.
GV: Lí giải của em sai rồi. Không cần có công gì hết để giữ cho vật chuyển động tròn.
HS A: Vậy em không biết làm sao trả lời câu hỏi của thầy.
GV: Năng lượng truyền cho một vật có thể được phân bố, như các nhà vật lí nói, trong các “kênh” sau đây: (1) tăng động năng của vật; (2) tăng thế năng của nó; (3) công thực hiện bởi vật đã cho lên những vật khác và (4) nhiệt sinh ra do ma sát. Đó là nguyên lí chung mà không phải thí sinh nào cũng hiểu rõ.
Giờ hãy xét công của lực hướng tâm. Vật chuyển động với một vận tốc không đổi và do đó động năng của nó không tăng. Như vậy, kênh thứ nhất bị loại. Vật chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang và hệ quả là thế năng của nó không thay đổi. Kênh thứ hai cũng bị loại. Vật đã cho không thực hiện bất cứ công nào lên vật khác, cho nên kênh thứ ba bị loại. Cuối cùng, mọi loại ma sát đã bị loại trừ. Hệ quả là loại luôn kênh thứ tư và là kênh cuối cùng.
HS A: Nhưng khi đó có hay không có công của lực hướng tâm?
GV: Như em thấy đó, không có. Bây giờ vẫn còn cơ hội cho em đưa ra kết luận của mình. Hoặc là em thừa nhận rằng định luật bảo toàn năng lượng không đúng, và khi đó toàn bộ vướng mắc của em không còn nữa, hoặc là em tiếp tục công nhận giá trị của định luật này và rồi… Tuy nhiên, hãy cố gắng tìm cách loại đi những khó khăn của em.
HS A: Theo em vẫn nên kết luận rằng lực hướng tâm không thực hiện công nào hết.
GV: Đó là một kết luận khá hợp lí. Tôi muốn nói rằng nó chính là hệ quả trực tiếp của định luật bảo toàn năng lượng.
HS B: Mọi thứ đã sáng tỏ rồi, nhưng chúng ta làm gì với công thức cho công thực hiện bởi một vật?
GV: Ngoài lực và quãng đường đi mà nó tác dụng, công thức này còn chứa cosin của góc giữa hướng của lực và vận tốc
A = Fs cos
Trong trường hợp đã cho cos = 0.
HS A: Ồ vâng, em hoàn toàn quên mất lượng cosin này.
GV: Tôi muốn nêu ra một ví dụ nữa. Xét hai bình thông nhau nối lại bằng một cái ống hẹp có van chặn. Giả sử lúc đầu toàn bộ chất lỏng ở bình bên trái và chiều cao của nó là H (Hình 43 a). Sau đó, chúng ta mở van và chất lỏng chảy từ bình bên trái sang bình bên phải. Dòng chảy ngừng lại khi có mức cao bằng nhau H/2 ở mỗi bình (Hình 43 b). Ta hãy tính thế năng của chất lỏng ở vị trí đầu và vị trí cuối. Để tính ta nhân trọng lượng của chất lỏng trong mỗi bình với nửa chiều cao của cột chất lỏng. Ở vị trí ban đầu thế năng bằng PH/2, và ở vị trí cuối thế năng là ( P/2)( H/4) + ( P/2)( H/4) = PH/4. Như vậy, ở trạng thái cuối thế năng của vật hóa ra chỉ bằng một nửa thế năng lúc ban đầu. Vậy một nửa năng lượng đã tiêu tán đi đâu?
HS A: Em sẽ cố gắng lí giải như thầy đã khuyên. Phần thế năng PH/4 có thể đã dùng để thực hiện công lên những vật khác, sinh nhiệt do ma sát, và động năng của chính khối chất lỏng. Đúng không thầy?
GV: Khá chính xác. Hãy nói tiếp đi.
HS A: Trong trường hợp của chúng ta, chất lỏng chảy từ bình này sang bình kia không thực hiện bất kì công nào lên vật khác. Chất lỏng không có động năng ở trạng thái cuối vì nó ở trạng thái tĩnh. Như vậy cái còn lại để kết luận là một nửa thế năng đã chuyển hóa thành nhiệt do ma sát. Thật vậy, em không có khái niệm rõ ràng cho lắm loại ma sát này là gì.
GV: Em đã lí giải chính xác và đi tới kết luận đúng. Tôi muốn bổ sung thêm vài lời về bản chất của lực ma sát đó. Ta có thể tưởng tượng rằng chất lỏng được chia thành từng lớp, mỗi lớp đặc trưng một tốc độ chảy rõ ràng. Lớp càng gần thành bình thì vận tốc của nó càng nhỏ. Có sự hoán đổi phân tử giữa các lớp, hệ quả của những phân tử có vận tốc cao hơn của chuyển động trật tự đi xen vào giữa những phân tử có vận tốc thấp hơn của chuyển động trật tự, và ngược lại. Như vậy, lớp “nhanh” có tác dụng làm tăng tốc lớp “chậm” và, ngược lại, lớp “chậm” có tác dụng làm giảm tốc lớp “nhanh”. Hình ảnh này cho phép chúng ta nói tới sự tồn tại của sự ma sát nội tại giữa các lớp. Sự chênh lệch vận tốc của các lớp ở giữa bình và ở gần thành bình càng lớn thì tác dụng ma sát càng mạnh. Lưu ý rằng vận tốc của các lớp ở gần thành bình bị ảnh hưởng bởi loại tác dụng nội tại giữa các phân tử chất lỏng và các phân tử thành bình. Nếu chất lỏng làm ướt bình chứa thì lớp liền kề với thành bình thật sự là tĩnh.
HS A: Điều này có phải là ở trạng thái cuối nhiệt độ của chất lỏng có phần cao hơn ở trạng thái ban đầu?
GV: Vâng, chính xác thế. Bây giờ chúng ta sẽ thay đổi điều kiện của bài toán đi một chút. Giả sử không có tương tác giữa chất lỏng và thành bình. Do đó, tất cả các lớp sẽ chảy với vận tốc bằng nhau và sẽ không có lực nội ma sát. Khi đó làm thế nào chất lỏng chảy từ bình này sang bình kia?
HS A: Ở đây thế năng sẽ giảm vì chất lỏng cần có động năng. Nói cách khác, trạng thái minh họa ở Hình 43 b không phải là trạng thái nghỉ. Chất lỏng sẽ tiếp tục chảy từ bình bên trái sang bình bên phải cho đến khi nó đạt tới trạng thái như thể hiện ở Hình 43 c. Ở trạng thái này thế năng một lần nữa bằng với ở trạng thái ban đầu (Hình 43 a).
GV: Hiện tượng gì sẽ xảy ra với chất lỏng sau đó?
HS A: Chất lỏng sẽ bắt đầu chảy về theo hướng ngược lại, từ bình bên phải sang bình bên trái. Như vậy, mực chất lỏng sẽ thăng giáng ở hai bình thông nhau.
GV: Những quan sát như thế có thể quan sát được, chẳng hạn, ở những bình thông nhau thủy tinh chứa thủy ngân. Chúng ta biết rằng thủy ngân không dính ướt thủy tinh. Tất nhiên, những thăng giáng này sẽ bị tắt dần theo thời gian, vì không thể nào loại trừ hoàn toàn sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng và các phân tử thành bình.
HS A: Em thấy định luật bảo toàn năng lượng có thể được áp dụng khá tích cực.
GV: Đây là một bài toán khác dành cho các em. Một viên đạn khối lượng m, đang chuyển động theo phương ngang với vận tốc v0, đến va chạm với một khối gỗ khối lượng M, treo lơ lửng bên dưới một sợi dây, và dính vào trong gỗ. Hỏi sau khi viên đạn cắm vào, khối gỗ sẽ nâng lên đến độ cao H bằng bao nhiêu, do sự lệch của dây treo khỏi vị trí cân bằng (Hình 44)?
HS A: Ta kí hiệu v1 là vận tốc của khối gỗ và viên đạn ngay sau khi đạn bay vào trong gỗ. Để tìm vận tốc này, ta dùng định luật bảo toàn năng lượng. Như vậy
Biết được vận tốc này, ta đi tính độ cao H bằng cách sắp xếp lại định luật bảo toàn năng lượng
GV (nói với HS B): Em nghĩ gì về cách giải này?
HS B: Tôi không tán thành thế. Chúng ta đã nói ở phần trước rằng trong những trường hợp như vậy cần sử dụng định luật bảo toàn động lượng. Do đó, thay cho phương trình (50), em sẽ dùng một liên hệ khác
mv0 = (m + M)v1(54)
(động lượng của viên đạn trước khi nó va chạm với khối gỗ bằng động lượng của viên đạn và khối gỗ sau đó). Từ biểu thức này ta có
GV: Chúng ta có hai quan điểm và hai kết quả khác nhau. Theo một quan điểm thì áp dụng định luật bảo toàn động năng, còn theo quan điểm kia thì áp dụng định luật bảo toàn động lượng. Quan điểm nào đúng? (nói với HS A) Em có thể nói gì để chứng minh cho quan điểm của mình?
HS A: Em đã không sử dụng định luật bảo toàn động lượng.
GV (nói với HS B): Còn em sẽ nói gì?
HS B: Em không biết làm thế nào chứng minh cho quan điểm của mình. Em nhớ là khi gặp bài toán va chạm thì định luật bảo toàn động lượng luôn luôn có giá trị sử dụng, còn định luật bảo toàn năng lượng không phải lúc nào cũng dùng tốt. Vì trong trường hợp đã cho, những định luật này đưa đến những kết quả khác nhau, nên cách giải của em rõ ràng là đúng.
GV: Trước tiên, cách giải của em thật sự khá chính xác. Tuy nhiên, ta cần xét kĩ hơn vấn đề này. Một va chạm mà sau đó các vật va chạm dính lại với nhau (hay vật này nằm trong vật kia) được gọi là “va chạm hoàn toàn không đàn hồi”. Tiêu biểu trong những va chạm như thế là sự có mặt của sự bố trí vĩnh viễn ở những vật va chạm, hệ quả của nhiệt sinh ra do ma sát. Vì thế, phương trình (50), chỉ nói tới động năng của các vật, là không áp dụng được. Trong trường hợp của chúng ta, cần sử dụng định luật bảo toàn động lượng (54) để tìm vận tốc của khối gỗ và viên đạn sau va chạm.
HS A: Ý thầy nói là định luật bảo toàn năng lượng không có giá trị đối với một va chạm hoàn toàn không đàn hồi chăng? Nhưng định luật này có tính vạn vật mà.
GV: Không ai nghi ngờ chuyện định luật bảo toàn năng lượng có giá trị đối với một va chạm hoàn toàn không đàn hồi. Động năng không được bảo toàn sau một va chạm như thế. Tôi nói riêng động năng chứ không nói toàn bộ năng lượng. Kí hiệu nhiệt sinh ra trong va chạm là Q, ta có thể viết hệ định luật bảo toàn sau đây cho va chạm hoàn toàn không đàn hồi vừa nói ở trên
Ở đây phương trình thứ nhất là định luật bảo toàn động lượng, và phương trình thứ hai là định luật bảo toàn năng lượng (không chỉ tính cơ năng, mà còn xét cả nhiệt năng).
Hệ phương trình (57) có hai biến: và Q. Sau khi xác định từ phương trình thứ nhất, ta có thể sử dụng phương trình thứ hai để tìm nhiệt lượng Q
Rõ ràng từ phương trình này là khối lượng M càng lớn, thì năng lượng chuyển hóa thành nhiệt càng nhiều. Tính giới hạn, với khối lượng M vô cùng lớn, ta thu được /2, tức là toàn bộ động năng chuyển hóa thành nhiệt. Điều này khá tự nhiên thôi: ví dụ như trường hợp viên đạn bay dính vào tường.
HS A: Có thể có va chạm nào trong đó không có nhiệt sinh ra hay không?
GV: Có, những va chạm như thế là có thể. Chúng được gọi là va chạm “hoàn toàn đàn hồi”. Chẳng hạn, va chạm giữa hai quả cầu thép có thể xem là hoàn toàn đàn hồi với một mức độ gần đúng hợp lí. Sự biến dạng đàn hồi thuần túy của hai quả cầu xảy ra và không có nhiệt sinh ra. Sau va chạm, hai quả cầu trở lại hình dạng ban đầu của chúng.
HS A: Ý thầy nói là trong một va chạm hoàn toàn đàn hồi định luật bảo toàn năng lượng trở thành định luật bảo toàn động năng?
GV: Ừ, tất nhiên rồi.
HS A: Nhưng trong trường hợp này, em không thể nào hiểu làm thế nào thầy dung hòa định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn năng lượng. Chúng ta thu được hai phương trình hoàn toàn khác nhau cho vận tốc sau va chạm. Hoặc, có lẽ, định luật bảo toàn động lượng không có ý nghĩa trong một va chạm hoàn toàn đàn hồi.
GV: Cả hai định luật đều có ý nghĩa trong một va chạm hoàn toàn đàn hồi: bảo toàn động lượng và bảo toàn động năng. Em chẳng có lí do gì để ngần ngại chuyện phối hợp hai định luật này bởi vì sau một va chạm hoàn toàn đàn hồi, các vật bay ra xa nhau ở những vận tốc khác nhau. Trong khi sau một va chạm hoàn toàn không đàn hồi các vật va chạm chuyển động với cùng vận tốc (vì chúng dính vào nhau), thì sau một va chạm đàn hồi mỗi vật chuyển động với một vận tốc xác định riêng của nó. Hai biến chưa biết đòi hỏi có hai phương trình. Ta hãy xét một ví dụ. Giả sử một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc va chạm đàn hồi với một vật khối lượng M đang đứng yên. Giả sử thêm rằng sau va chạm vật đi tới đó bật ngược trở lại. Ta sẽ kí hiệu vận tốc của vật m sau va chạm là và của vật M là . Khi đó định luật bảo toàn năng lượng và động lượng có thể viết ở dạng
Lưu ý dấu trừ trong phương trình thứ nhất. Nó xuất hiện là do giả sử của chúng ta rằng vật đi tới bị bật ngược trở lại.
HS B: Nhưng thầy không phải lúc nào cũng biết trước hướng chuyển động của vật sau va chạm. Phải chăng vật m không thể tiếp tục chuyển động theo hướng cũ với một vận tốc nhỏ hơn sau va chạm?
GV: Nó có thể chứ. Trong trường hợp như vậy ta sẽ thu được một vận tốc v1 âm khi giải hệ phương trình (59).
HS B: Em nghĩ rằng hướng chuyển động của vật m sau va chạm được xác định bởi tỉ số của khối lượng m và M.
HS B: Chúng ta biết rằng sau va chạm các quả cầu có thể chuyển động ra xa nhau theo hướng hợp với nhau một góc nào đó. Chúng ta đã giả sử rằng chuyển động xảy ra theo một đường thẳng. Rõ ràng đây phải là một trường hợp đặc biệt mà thôi.
GV: Em nói đúng. Chúng ta đã xét cái gọi là va chạm xuyên tâm trong đó các quả cầu chuyển động trước và sau va chạm theo một đường thẳng đi qua tâm của chúng. Trường hợp tổng quát hơn là va chạm lệch tâm sẽ được xét tới sau. Ở đây tôi muốn biết mọi thứ đã khá rõ ràng hay chưa.
HS A: Em nghĩ là mình đã hiểu rồi. Như em thấy, trong mọi va chạm (đàn hồi hay không đàn hồi), có thể áp dụng được hai định luật bảo toàn: động lượng và năng lượng. Chỉ là bản chất khác nhau của các va chạm dẫn tới những phương trình khác nhau mô tả các định luật bảo toàn. Khi xét những va chạm không đàn hồi, cần kể đến nhiệt sinh ra trong va chạm đó.
GV: Nhận xét của em là đúng và ngắn gọn.
HS B: Như em hiểu cho đến đây thì va chạm hoàn toàn đàn hồi và va chạm hoàn toàn không đàn hồi là hai trường hợp cực độ. Chúng có luôn luôn thích hợp để mô tả những trường hợp thực tế hay không?
GV: Em hay đấy khi đưa ra vấn đề này. Những trường hợp va chạm mà chúng ta vừa xét là những trường hợp cực độ. Trong những va chạm thực tế, một lượng nhiệt nhất định luôn luôn được sinh ra (không có sự biến dạng đàn hồi lí tưởng) và các vật va chạm có thể chuyển động ra xa nhau với những vận tốc khác. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp những va chạm thực tế được mô tả khá tốt theo những mô hình đã giản lược hóa: va chạm hoàn toàn đàn hồi và va chạm hoàn toàn không đàn hồi.
Bây giờ chúng ta hãy xét một ví dụ va chạm đàn hồi lệch tâm. Một vật ở dạng một mặt phẳng nghiêng với góc nghiêng 45o đang nằm trên mặt phẳng ngang. Một quả cầu khối lượng m, đang bay ngang với vận tốc v0, đến va chạm với vật (mặt phẳng nghiêng) có khối lượng M. Hệ quả của sự va chạm là quả cầu bật lên theo phương thẳng đứng và vật M bắt đầu trượt không ma sát trên mặt phẳng ngang. Hãy tìm vận tốc bay lên thẳng đứng của quả cầu ngay sau khi va chạm (Hình 45). Em nào muốn thử giải bài toán này?
HS B: Cho phép em làm thử. Ta kí hiệu vận tốc cần tìm của quả cầu là và của vật M là . Vì va chạm là đàn hồi, nên em có quyền giả sử rằng động năng được bảo toàn. Như vậy
Em cần thêm một phương trình nữa, cái dễ thấy là em nên sử dụng định luật bảo toàn động lượng. Em sẽ viết nó ở dạng
mv0 = Mv2 + mv1(61)
Thật ra em không chắc về phương trình thứ hai vì vận tốc vuông góc với vận tốc .
Với bài toán đã cho, ta có thể chọn phương nằm ngang và phương thẳng đứng. Đối với phương ngang, định luật bảo toàn động lượng có dạng
mv0 = Mv2(62)
Từ phương trình (60) và (62) ta tìm được vận tốc
HS B: Chúng ta làm gì với phương thẳng đứng?
mv1 – Meve = 0(63)
HS B: Vì trái đất cũng tham gia vào bài toán này, cho nên rõ ràng sẽ cần sửa lại phương trình năng lượng (60).
GV: Vậy em sửa như thế nào cho phương trình (60)?
HS B: Em muốn thêm một số hạng về chuyển động của trái đất sau va chạm
Vì khối lượng trên thực tế hết sức lớn, nên vận tốc của trái đất sau va chạm trên thực tế là bằng không. Bây giờ, ta hãy viết lại số hạng /2 trong phương trình (64) có dạng ()/2. Theo phương trình (63), đại lượng trong tích này có một giá trị hữu hạn. Nếu nhân giá trị này với không (trong trường hợp đã cho là bằng không), thì tích cũng sẽ bằng không. Từ đây ta có thể kết luận rằng trái đất tham gia rất kì cục trong bài toán này. Nó thu một động lượng nhất định, nhưng đồng thời trên thực tế nó không nhận năng lượng nào hết. Nói cách khác, nó tham gia vào định luật bảo toàn động lượng nhưng không tham gia vào định luật bảo toàn năng lượng. Trường hợp này là bằng chứng đặc biệt nổi bật của thực tế rằng định luật bảo toàn năng lượng và động lượng là những định luật khác nhau về cơ bản, và độc lập với nhau.
Bài tập
22. Một vật khối lượng 3 kg rơi từ một độ cao nhất định với vận tốc ban đầu 3 m/s theo phương thẳng đứng. Tìm công thực hiện để thắng lực cản của không khí trong 10 giây, biết rằng vật thu được vận tốc 50 m/s lúc cuối khoảng thời gian 10 giây. Giả sử lực cản của không khí là không đổi.
23. Một vật trượt xuống một mặt phẳng nghiêng góc 30 o sau đó trượt tiếp trên một mặt ngang. Xác định hệ số ma sát, biết rằng quãng đường vật trượt trên mặt phẳng ngang bằng với trên mặt phẳng nghiêng.
24. Tính hiệu suất của một mặt phẳng nghiêng trong trường hợp khi một vật trượt ra khỏi nó với vận tốc không đổi.
25. Một quả cầu khối lượng m và thể tích V thả rơi vào trong nước từ độ cao H, chìm xuống độ sâu h, và sau đó thì nhảy ra khỏi nước (tỉ trọng của quả cầu nhỏ hơn của nước). Tìm lực cản của nước (giả sử nó là không đổi) và độ cao quả cầu lên tới sau khi nó nhảy ra khỏi nước. Bỏ qua sức cản không khí. Tỉ trọng của nước kí hiệu là n.
26. Một đầu tàu hỏa có khối lượng 50 tấn, đang chuyển động với vận tốc 12 km/h, móc vào một toa tàu trần khối lượng 30 tấn đang đứng yên trên cùng đường ray. Tìm vận tốc chuyển động chung của đầu tàu và toa xe ngay sau khi chuyển động ghép nối tự động hoạt động. Tính quãng đường đi được bởi hai xe sau khi ghép nối, biết lực cản bằng 5% trọng lượng.
27. Một khẩu đại bác khối lượng M, đặt tại chân một mặt phẳng nghiêng, bắn ra một viên đạn khối lượng m theo phương ngang với vận tốc ban đầu . Hỏi khẩu đại bác leo lên đến độ cao nào trên mặt phẳng nghiêng do sự giật lùi nếu góc nghiêng của mặt phẳng đó là và hệ số ma sát giữa khẩu đại bác và mặt phẳng nghiêng là k?
28. Hai quả cầu khối lượng M và 2 M treo bên dưới hai sợi dây mảnh chiều dài l buộc cố định tại cùng một điểm. Quả cầu M được kéo về một phía nghiêng một góc và thả ra sau khi truyền cho nó một vận tốc tiếp tuyến v 0 hướng về phía vị trí cân bằng. Hỏi hai quả cầu sẽ nâng lên đến độ cao bao nhiêu nếu: (1) va chạm là hoàn toàn đàn hồi, và (2) va chạm là hoàn toàn không đàn hồi (hai quả cầu dính vào nhau sau va chạm)?
29. Một quả cầu khối lượng M treo dưới một sợi dây chiều dài l. Một viên đạn khối lượng m, đang bay theo phương ngang, đến cắm vào quả cầu và mắc kẹt trong đó. Hỏi viên đạn phải có vận tốc tối thiểu bao nhiêu để cho quả cầu quay trọn một vòng tròn trong mặt phẳng thẳng đứng?
30. Hai cái nêm có cùng góc nghiêng 45 o và mỗi nêm có khối lượng M đang nằm trên một mặt phẳng ngang (Hình 46). Một quả cầu khối lượng m ( m << M) thả tự do từ độ cao H. Quả cầu va chạm với nêm này rồi tới nêm kia, sau đó bật lên theo phương thẳng đứng. Tìm độ cao mà quả cầu bật lên tới. Giả sử cả hai va chạm là đàn hồi và không có ma sát giữa hai cái nêm và mặt phẳng ngang.
31. Một cái nêm có góc nghiêng 30 o và khối lượng M nằm trên một mặt phẳng ngang. Một quả cầu khối lượng m thả tự do từ độ cao H, va đàn hồi với cái nêm và bật lên nghiêng góc 30 o so với phương ngang. Hỏi quả cầu bật lên tới độ cao bao nhiêu? Bỏ qua ma sát giữa cái nêm và mặt phẳng ngang.
Vui lòng ghi rõ “Nguồn chúng tôi khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.
Thêm ý kiến của bạn
Năng Lượng Là Gì? Phát Biểu Định Luật Bảo Toàn Năng Lượng
Còn trong lý thuyết tương đối thì nhà khoa học Albert Einstein đã chỉ ra rằng giữa năng lượng và khối lượng vật thể có một mối liên hệ nào đó.
Tất cả mọi vật xung quanh chúng ta diễn ra và hoạt động được đều nhờ năng lượng và mỗi một đối tượng lại sử dụng một loại năng lượng khác nhau.
Năng lượng được đo bởi rất nhiều đơn vị khác nhau, trong đó ta có: Jun (Joules hoặc J), calo, W, éc và BTU. Các đơn vị này sẽ được sử dụng tùy thuộc theo từng loại năng lượng và được sử dụng cho những mục đích khác nhau. Nhờ có các đơn vị này mà chúng ta cũng dễ dàng hơn trong việc chuyển đổi năng lượng từ đơn vị này sang đơn vị khác. Điều này cũng tương tự như việc chuyển khoảng cách đi bộ thành dặm và km.
W là đơn vị được sử dụng để đo công suất hoặc dòng năng lượng. Thông thường thì các thiết bị gia dụng sẽ đo công suất bằng W, số W càng cao thì thiết bị hoạt động càng mạnh và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
Ví dụ: Máy nước nóng có công suất 1000W thì nói sẽ sử dụng 1000W cho mỗi lần sử dụng.
Bên cạnh đó thì thời gian cũng là một phần để đo năng lượng. Nếu máy nước nóng có công suất 1000W sử dụng trong 1 giờ thì nó sẽ tiêu tốn khoảng 1kWh.
Định luật bảo toàn năng lượng và người đã tìm ra nó
Trong Vật lý và Hóa học, định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng năng lượng của một hệ cô lập là không đổi. Điều này có nghĩa là năng lượng được bảo toàn theo thời gian. Nó không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc chuyển từ vật này sang vật khác.
Định luật bảo toàn năng lượng ra đời là cả một quá trình nghiên cứu phát triển của rất nhiều nhà khoa học. Năm 1841 nhà Vật lý học người Đức Julius Robert Mayer (1814 – 1878) sau một chuyến đi thực tế đã nghiên cứu về “Việc xác định các lực về mặt số lượng và chất lượng” gửi đến tạp chí “Biên niên vật lý học”. Tuy nhiên bản thảo này đã không được đăng tải.
Tới năm 1842 Mayer gửi công trình nghiên cứu thứ 2 với tên gọi “Nhận xét về các thế lực của thế giới vô sinh” đăng trên tạp chí Biên niên hóa học và dược học. Tại đây ông đã đưa ra những lập luận và phân tính sự chuyển hóa từ thế năng thành động năng. Và ông kết luận “Lực là những đối tượng không trọng lực, không bị hủy diệt và có khả năng chuyển hóa.
Đến năm 1845 Mayer lại tiếp tục hoàn thành công trình mới tên “Chuyển động hữu cơ trong mối liên hệ với sự trao đổi chất”. Ông quyết định xuất bản công trình này thành một cuốn sách nhỏ. Cứ như vậy ba công trình của ông đã nêu lên được những tư tưởng tổng quát nhất về định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Tuy nhiên, rất không may cho ông là công trình thứ nhất không được công bố, công trình thứ 2 không được các nhà Vật Lý quan tâm. Và cứ như thế việc chứng minh định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng của Mayer trở nên khó khăn.
Năm 1970 Rumpho đã thực hiện một thí nghiệm bằng cách ngâm một nòng súng trong một thùng nước và khoan nó bằng một chiếc khoan cùn. Sau khoảng 2 giờ rưỡi thì nước bắt đầu sôi. Ông cho rằng đây là thí nghiệm chứng tỏ nhiệt là một loại chuyển động, nhưng do chưa có khái niệm về công cơ học nên nghiên cứu này không mang ý nghĩa gì.
Đến năm 1826 công cơ học ra đời và được công nhận. Cùng lúc này thí nghiệm khuấy nước nổi tiếng của James Prescott Joule đã chứng minh được sự chuyển hóa năng lượng từ công thành nhiệt năng (1854). Đây chính là nền tảng của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
Song song với các nhà nghiên cứu khác thì Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz – Bác sĩ kiêm nhà Vật lý người Đức cũng đã có những công trình nghiên cứu về sự bảo toàn năng lượng (1847). Sau đó ông quyết định mở rộng phạm vi nghiên cứu và đem nó ứng dụng vào nhiều trường hợp khác nhau. Từ đó những lý luận sẵn có của các nhà khoa học trước đó được ông phát triển và lần lượt chứng minh rằng năng lượng vĩnh viễn không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa thành nhiệt, âm thanh, ánh sáng,…
Mặc dù có rất nhiều nhà nghiên cứu độc lập cùng tìm ra cách chứng minh cho tính đúng đắn của định luật bảo toàn năng lượng. Nhưng các nhà Vật Lý đều công nhận Người tìm ra định luật này đầu tiên chính là Julius Robert Mayer.
Theo các nghiên cứu đưa ra thì năng lượng được phân chia thành các dạng phổ biến như:
Động năng của vật chuyển động
Lực hấp dẫn, điện hoặc từ’ hay chính là năng lượng tiềm tàng được lưu trữ bởi các vị trí của vật trong trường lực.
Lực đàn hồi được lưu trữ lại bằng cách kéo căng các vật thể rắn.
Năng lượng hóa học được giải phóng do nhiên liệu bị đốt cháy.
Năng lượng bức xạ mang theo ánh sáng
Năng lượng nhiệt do nhiệt độ của một vật thể nào đó.
Tổng năng lượng của một hệ thống sẽ được phân chia thành thế năng, động năng hoặc kết hợp cả hai với nhiều cách khác nhau.
Năng lượng động lực được xác định bởi những chuyển động của một vật thể hoặc chuyển động tổng hợp của các thành phần của một vật thể. Năng lượng tiềm năng sẽ phản ánh lên những tiềm năng của một vật thể có chuyển động. Hay nói chung đó là một chức năng đến từ vị trí của một vật thể trong một trường hoặc có thể được lưu trữ trong chính nó.
Mặc dù hai loại này đã đủ để mô tả tất cả các dạng của năng lượng nhưng nó thường thuận tiện hơn khi đề cập đến sự kết hợp cụ thể của thế năng và động năng như dạng riêng của nó.
Tại sao năng lượng lại quan trọng đối với đời sống con người
Tổng năng lượng trong vũ trụ là có hạn, chúng ta không thể tạo ra hay phá hủy năng lượng mà chỉ có thể biến đổi hay chuyển đổi nó. Chúng ta không thể phủ nhận được vai trò to lớn của năng lượng đối với con người và đời sống. Bởi nó ảnh hưởng trực tiếp tới sự tồn tại, phát triển của con người.
Trong hoạt động sống, cơ thể của chúng ta cần phải nạp các loại thức ăn như: cơm cá, thịt, rau,… vào cơ thể sau đó các bộ phận sẽ chuyển hóa các chất này thành năng lượng duy trì sự sống cho cơ thể.
Trong các hoạt động công nghiệp, sản xuất, lắp ráp, chế tạo,… thì các loại năng lượng khác nhau đến từ cả năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo đã góp phần quan trọng trong việc duy trì thúc đẩy mọi mặt đời sống, kinh tế con người phát triển. Nếu không có năng lượng thì chắc chắn chưng at sẽ không có cuộc sống như ngày hôm nay.
Chương Iv: Định Luật Bảo Toàn Và Chuyển Hóa Năng Lượng
Chương IV: Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng
Chương IV: Bài tập động lượng, bảo toàn động lượng
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác đây được coi là định luật cơ bản của vật lý học.
Năm 1841 Julius Robert Mayer (1814- 1878) nhà vật lý học người Đức, nghiên cứu y khoa tại Tbingen, Munich và Paris, sau một chuyến đi thực tế ông đã gửi một đề tài nghiên cứu “Về việc xác định các lực về mặt số lượng và chất lượng” gởi tới tạp chí “Biên niên vật lý học”. (tổng biên tập Poghendoc của 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 Poghendoc, khi ông đã chết.)
Chân dung nhà vật lý học Julius Robert Mayer
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 ý tưởng rõ nét về định luật bảo toàn và chuyển hóa 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 hóa năng lượng lúc này đã được Mayer phát biểu một cách rõ ràng.
Năm 1845, Mayer hoàn thành một công trình mới: “Chuyển động hữu cơ trong mối liên hệ với sự trao đổi chất” tạp chí “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. Trong ba công trình nói trên, Mayer đã nêu lên được tư tưởng tổng quát về định luật bảo toàn và chuyển hóa 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.
Trong khi lý thuyết vật lý về các hiện tượng vật lý trong cơ học, quan học và điện học đã bước một bước dài thì nhiệt học dường như vẫn còn dậm chân tại chỗ trong nửa đầu thế kỉ XIX. Chính những lý thuyết về nhiệt học, nhiệt động lực học chưa phát triển khiến việc chứng minh định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng trở nên khó khăn hơn.
Năm 1790, Rumpho đã thực hiện một thí nghiệm bằng cách ngâm một nòng súng trong một thùng nước và khoan nó bằng một chiếc khoan cùn, sau hai giờ rưỡi thì nước bắt đầu sôi. Ông cho rằng đây là thí nghiệm chứng tỏ nhiệt là một loại chuyển động, tuy nhiên thời kỳ đó các nhà vật lý đều cho rằng “chất nhiệt” ở đây đã được chảy ra từ nòng súng giống như người ta vắt một quả chanh. Do chưa có khái niệm về công cơ học nên về cơ bản thí nghiệm trên của Rumpho không mang ý nghĩa vật lý nào.
Năm 1826 khái niệm công cơ học ra đời và được công nhận, năm 1845 với thí nghiệm khuấy nước nổi tiếng James Prescott Joule đã chứng minh sự chuyển hóa năng lượng từ công thành nhiệt năng, từ đó kiểm nghiệm tính đúng đắn và là nền tảng cho định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Thí nghiệm khuấy nước nổi tiếng của James Prescott Joule Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz ( 1821 – 1894) là một bác sỹ và nhà vật lý người Đức. Công trình khoa học quan trọng đầu tiên của ông, một luận án vật lý về sự bảo toàn năng lượng viết 1847 được viết ra trong bối cảnh nghiên cứu về y học và triết học của ông. Ông khám phá ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng khi nghiên cứu về sự trao đổi chất của cơ bắp. Ông cố gắng diễn đạt rằng không có sự mất đi của năng lượng trong sự chuyển động của cơ bắp, bắt nguồn từ suy luận là không cần một “lực sống” nào để lay chuyển cơ bắp. Đây là sự phủ nhận phỏng đoán truyền thống của Naturphilosophie mà vào thời điểm đó là một triết lý khá phổ biến trong ngành sinh lý học Đức (tại thời điểm đó ất nhiều những nhà nghiên cứu đã sử dụng từ “sinh lực” để giải thích cho những cái họ không thể giải thích nổi, dường như “sinh lực” này có thể tạo ra năng lượng một cách liên tục không bao giờ ngưng nghỉ mà không cần phải tuân theo bất kỳ định luật vật lý, hóa học nào.
chân dung nhà vật lý học Hermann von Helmholtz
Helmholtz quyết định mở rộng phạm vi của nguyên lý bảo toàn năng lượng, đem nó ứng dụng vào các trường hợp khác nhau. Do vậy ông đã nghiên cứu rất nhiều những phát hiện của các nhà khoa học như James Joule, Julius Mayer, Pierre Laplace, Antoine Lavoisier cùng nhiều nhà khoa học khác đã từng có những nghiên cứu về sự chuyển hóa qua lại hay sự bảo toàn của một loại năng lượng nào đó.
Helmholtz đã phát triển những lý luận sẵn có trên cơ sở thực nghiệm, kết quả đã lần lượt chứng minh năng lượng vĩnh viễn không tự nhiên mất đi, nó có thể chuyển hóa thành nhiệt, âm thanh, ánh sáng… Nhưng chúng ta luôn có thể tìm thấy nó và giải thích được nó. Năm 1847, Helmholtz nhận ra những nghiên cứu của ông đã chứng minh lý luận phổ biến của bảo toàn năng lượng là: năng lượng trong vũ trụ (hay bất kì một hệ kín nào) luôn bảo toàn, năng lượng có thể chuyển hóa dưới nhiều dạng khác nhau như điện, từ, hóa năng, động năng, quang năng, nhiệt năng, âm thanh, thế năng…, nhưng năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi.
Thách thức lớn nhất đối với lý luận của Helmholtz đến từ phía các nhà thiên văn học nghiên cứu về mặt trời. Nếu như mặt trời không tự sinh ra ánh sáng và nhiệt năng thì số năng lượng khổng lồ do nó tỏa ra do đâu mà có? Nó không thể giống như vật chất tự đốt cháy mình bằng lửa. Các nhà khoa học từ lâu đã chứng minh: Nếu mặt trời cũng giống như các chất tự đốt cháy mình để sinh ra ánh sáng và nhiệt thì không đầy 20 triệu năm nó sẽ bị cháy hết.
Phải mất đến năm năm, Helmholtz mới làm sáng tỏ được vấn đề, đáp án chính là lực hấp dẫn. Mặt trời bị lún về phía trong nó một cách từ từ, đồng thời lực hấp dẫn đã chuyển hóa thành ánh sáng và nhiệt. Câu trả lời đó của Helmholtz đã được người đười sau ông công nhận (tổng cộng 80 năm cho đến khi phát hiện ra năng lượng hạt nhân và phản ứng nhiệt hạch ra đời). Nhưng quan trọng hơn cả là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đã được phát hiện ra và được công nhận.
Mặc dù có rất nhiều nhà nghiên cứu độc lập cùng tìm cách minh chứng cho tính đúng đắn định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, nhưng các nhà vật lý học đều công nhận người tìm ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đầu tiên là Julius Robert Mayer.
Cập nhật thông tin chi tiết về Định Luật Bảo Toàn Năng Lượng – Kipkis trên website 2atlantic.edu.vn. Hy vọng nội dung bài viết sẽ đáp ứng được nhu cầu của bạn, chúng tôi sẽ thường xuyên cập nhật mới nội dung để bạn nhận được thông tin nhanh chóng và chính xác nhất. Chúc bạn một ngày tốt lành!