CÁC THUYẾT về NHIỆt

HẾT


MỤC LỤ
CHƯƠNG I: BƯỚC ĐẦU HÌNH THÀNH NHIỆT HỌC..............................................................1
I.

Hoàn cảnh lịch sử thế giới....................................................................................................1

II. Bước đầu hình thành nhiệt học.............................................................................................4
1.

Sự hình thành các thang đo nhiệt độ.................................................................................4

2.

Nhiệt lượng và bản chất của nhiệt.....................................................................................7

CHƯƠNG II:......SỰ PHÁT MINH RA ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG
LƯỢNG
...................................................................................................................................9
I.

Bước đầu nghiên cứu sự chuyển hóa của nhiệt và công.......................................................9

II. Sự hình thành định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.............................................11
1.

Mayer và những quan niệm tổng quát về bảo toàn và chuyển hóa năng lượng..............11

2. Joule và việc xây dựng cơ sở thực nghiệm của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng

lượng.......................................................................................................................................13
III.

Việc tiếp tục củng cố và phát triển định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.........15

CHƯƠNG III: SỰ HÌNH THÀNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ VẬT LÝ THỐNG KÊ.......20
I.

Sự hình thành nhiệt động lực học.......................................................................................20
1.

Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học....................................................................20

2.

Nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học......................................................................21

3.

Nguyên lý thứ ba của nhiệt động lực học.......................................................................22

II. Sự phát triển thuyết động học phân tử................................................................................23
1.

Sự hình thành..................................................................................................................23

2.

Lý thuyết nguyên tử của John Dalton.............................................................................23

3.

Gay Lussac......................................................................................................................24

4.

Lý thuyết nguyên tử của Amedeo Avogadro...................................................................24

5.

August Kronig và công trình của ông.............................................................................24

6.

Rudolf Clausius và mô hình động học chất khí..............................................................25

7.

Thuyết động học chất khí của James Clerk Maxwell....................................................26

8.

Ludwig Boltzmann..........................................................................................................28

9.

Những bước tiến của thuyết động học phân tử...............................................................29

III.
1.

Các thông số trạng thái....................................................................................................29
Áp suất............................................................................................................................29


2.
IV.

Nhiệt độ...........................................................................................................................30
Các phương trình trạng thái khí lí tưởng.........................................................................32

1.

Định luật Boyle Mariotte................................................................................................32

2.

Định luật Charles............................................................................................................33

3.

Định luật Gay-Lussac......................................................................................................34

4.

Phương trình trạng thái của khí lí tưởng.........................................................................35

5.

Phương trình Clapeyron-Mendeleev...............................................................................36

V. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN VẬT LÍ THỐNG KÊ...........................................36
CHƯƠNG IV: CÂU CHUYỆN VỀ SỰ “ CHẾT NHIỆT “ CỦA VŨ TRỤ................................41
I.

Mở đầu................................................................................................................................41

II. Một số những lí lẽ bác bỏ thuyết “ chết nhiệt”...................................................................41
1.

Phê phán của Engels.......................................................................................................41

2.

Giả thuyết thăng giáng của Boltzmann...........................................................................42

3.

Trong vũ trụ vô hạn không tồn tại các trạng thái có xác suất lớn hơn............................42

4.

Sự “chết nhiệt” không còn chỗ đứng..............................................................................42

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................45

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1. 1 James Watt.......................................................................................................................1
Hình 1. 2 Mô hình động cơ hơi nước của James Watt....................................................................3

Hình 1. 3 Galileo Galilei.................................................................................................................4
Hình 1. 4 Ống nhiệt nghiệm của Galile...........................................................................................4
Hình 1. 5 Gabriel Fahrenheit..........................................................................................................5
Hình 1. 6 Nhiệt kế có đơn vị độ Fahrenheit (được đánh dấu ở viền ngoài) và đơn vị độ C (được
đánh dấu trên mặt số bên trong). Thang đo Fahrenheit là thang đo nhiệt độ chuẩn hóa đầu tiên
được sử dụng rộng rãi.....................................................................................................................5
Hình 1. 7 Celsius.............................................................................................................................6
Hình 1. 8 Thang nhiệt độ Celsius....................................................................................................6
Hình 1. 9 Joule và thí nghiệm của ông............................................................................................9
Hình 2. 1 Máy hơi nước của Watt..................................................................................................10
Hình 2. 2 Sadi Carnot....................................................................................................................11


Hình 2. 3 Julius Robert Mayer......................................................................................................12
Hình 2. 4 James Prescott Joule.....................................................................................................14
Hình 2. 5 Dụng cụ của Jun để xác định đương lượng cơ của nhiệt..............................................15
Hình 2. 6 Joule và thí nghiệm của ông..........................................................................................15
Hình 2. 7 Julius Robert Mayer......................................................................................................15
Hình 2. 8 Hermann von Helmholtz................................................................................................16
Hình 2. 9 Minh họa nguồn sinh lực của cơ thể sống.....................................................................16
Hình 2. 10 Minh họa cơ thể sống như một động cơ vĩnh cửu.......................................................16
Hình 2. 11 Các lực tác dụng lên máy bay......................................................................................17
Hình 2. 12 William Thomson.........................................................................................................18
Hình 2. 13 Rudolf Julius Emanuel Clausius..................................................................................18
Hình 3. 1 Sadi Carnot – Cha đẻ của nhiệt động học.....................................................................20
Hình 3. 2 Rudolf Julius Emanuel Clausius....................................................................................20
Hình 3. 3 William Thomson...........................................................................................................21
Hình 3. 4 John Dalton..................................................................................................................23
Hình 3. 5 Joseph Louis Gay-Lussac..............................................................................................24
Hình 3. 6 Amedeo Avogadro..........................................................................................................24

Hình 3. 7 August Kronig................................................................................................................25
Hình 3. 8 Rudolf Clausius.............................................................................................................25
Hình 3. 9 James Clerk Maxwell....................................................................................................26
Hình 3. 10 Ludwig Boltzmann.......................................................................................................28
Hình 3. 11 Đồng hồ đo áp suất......................................................................................................30
Hình 3. 12 Thang đo của nhà bác học Celsius, Kelvin, Fahrenheit..............................................31
Hình 3. 13 Thang đo của nhà bác học Réaumur...........................................................................31
Hình 3. 14 Robert Boyle................................................................................................................32
Hình 3. 15 Edme Mariotte............................................................................................................32
Hình 3. 16 Jacques Charles..........................................................................................................33
Hình 3. 17 Joseph Louis Gay-Lussac............................................................................................34
Hình 3. 18 Benoit Clapeyron.........................................................................................................35
Hình 4. 1 Rudolf Julius Emanuel Clausius....................................................................................41
Hình 4. 2 Friedrich Engels............................................................................................................41
Hình 4. 3 Ludwig Boltzmann.........................................................................................................42
Hình 4. 4 Aleksandr Aleksandrovich Fridman..............................................................................44


CHƯƠNG I: BƯỚC ĐẦU HÌNH THÀNH NHIỆT HỌC
I. Hoàn cảnh lịch sử thế giới
Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất đã loại trừ ảnh hưởng của tư tưởng Aristote, loại trừ
vai trò thống trị của tôn giáo trong khoa học. Cách mạng khoa học làm nảy sinh vật lí học thực
nghiệm và làm cho khoa học phục vụ sản xuất phục vụ đời sống con người. Trong khi đó ở Châu
Âu đang có sự chuyển biến xã hội từ xã hội phong kiến lên xã hội tư bản chủ nghĩa.
Ở nước Pháp đầu thế kỉ XVIII các nhà duy vật nổi lên chống lại giai cấp quý tộc và tăng
lữ, họ đề cao các quy luật khoa học và coi đó cũng chính là quy luật của sự phát triển lí trí.
Với sự giúp đỡ của Voltaire, Du Chatelet đã dịch sang tiếng Pháp tác phẩm “Những nguyên
lí” của Newton và Voltaire đã viết lời tựa đầu cho bản dịch. Từ năm 1751 đến 1780 đã xuất bản
cuốn “Từ điển bách khoa” giải thích các thuật ngữ khoa học, nghệ thuật và các nghề thủ công.
Các nhà tư tưởng Pháp đề cao vai trò của lí trí con người và do ảnh hưởng lớn của họ thế kỉ

XVIII gọi là “thế kỉ của trí tuệ”.
Thế kỷ XVIII cũng diễn ra một cuộc cánh mạng công nghiệp, đầu tiên là ở nước Anh, tiếp
theo là ở nước Pháp nhằm thay thế phương thức sản xuất thủ công bằng phương thức sản xuất
bằng máy móc. Nó mở đầu bằng việc chế tạo ra những chiếc máy kéo sợi đầu tiên, dùng sức máy
thay cho sức người. Máy công cụ xuất hiện đòi hỏi phải có những máy phát động mạnh, không
phụ thuộc các điều kiện thiên nhiên như các máy chạy bằng sức nước hay sức gió.
Trong thời kỳ từ thập niên sáu mươi của thế kỷ XVIII, có một phát minh mà sự thành công
của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kỹ thuật phục vụ cuộc sống. Đó là phát
minh của nhà bác học James Watt, ông tổ của máy hơi nước.
James Watt là nhà phát minh và là một kỹ sư người
Scotland đã có những cải tiến cho máy hơi nước mà nhờ đó
đã làm nền tảng cho cuộc Cách mạng công nghiệp. Ông đưa
ra khái niệm mã lực và đơn vị SI của năng lượng watt được
đặt theo tên ông.
James Watt thường được mọi nguời gọi là nhà phát minh
Hình
1 James
Watt
ra máy hơi nước. Ông là một trong những nhân vật then chốt của cuộc
cách1.mạng
công
nghiệp.
Thật ra, Watt không phải là người chế tạo ra máy hơi nước đầu tiên. Năm 1698, Thomas Savory
đã được trao bằng sáng chế máy bơm nước chạy bằng hơi nước. Năm 1712, Thomas Newcomen
cũng đã được trao bằng sáng chế cải tiến máy hơi nước. Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một
máy hơi nước kiểu Newcomen, James Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này và tạo ra một ý
nghĩa cực kỳ quan trọng đến nỗi mọi người phải công nhận ông là người đầu tiên phát minh ra
máy hơi nước.
Năm 1763 - 1764, tại Trường Đại học Glassgow, Watt bắt đầu đặc biệt chú ý tới máy hơi
nước. Watt xác định việc nghiên cứu nguyên lý và kết cấu của máy hơi nước là phương hướng

chủ yếu của mình.
Tháng 6 năm 1775, giữa Boulton và Watt đã ký kết một hợp đồng có giá trị 25 năm, thành
lập công ty Boulton - Watt chuyên sản xuất và tiêu thụ loại máy hơi nước mới. Đây chính là tiền
đề để cho Watt sáng tạo ra những cỗ máy hơi nước ngày càng tân tiến hơn. Trong hai mươi lăm


năm sau đó, công ty của Watt và Boulton đã sản xuất một số lượng lớn máy hơi nước
cung cấp cho thị trường.
Năm 1781, Watt còn phát minh ra một bộ phận bánh xe răng để giúp máy hơi
nước chuyển động xoay tròn làm cho máy hơi nước mở rộng phạm vi sử dụng. Ông
còn phát minh ra bộ phận ly tâm điều chỉnh tốc độ, thông qua đó máy hơi nước có thể
tự động khống chế. Năm 1790, ông đã phát minh ra đồng hồ áp lực, đồng hồ chỉ thị,
van tiết lưu và nhiều cải tiến có giá trị khác.
Năm 1782, cỗ máy hơi nước chuyển động song hướng do Watt nghiên cứu và
chế tạo ra đời và được cấp bằng sáng chế độc quyền. Năm 1784, loại máy hơi nước
nằm cũng được xác nhận quyền sáng chế. Máy hơi nước ngày càng có tính thực dụng
và được dùng rộng rãi được gọi là “máy hơi nước vạn năng”.
Bốn năm sau, Watt phát minh ra bộ phận ly tâm điều chỉnh tốc độ và bộ phận
điều tiết hơi. Năm 1790, Watt chế tạo thành công bộ phận biểu thị công năng của xylanh đầu tiên. Lúc này thì Watt đã hoàn thành toàn bộ quá trình phát minh ra máy hơi
nước của mình. Đây là một bước đại nhảy vọt trong kỹ thuật sản xuất của loài người.
Đây có thể được gọi là bản tuyên ngôn của nhân loại đã bắt đầu tiến vào “Thời đại
máy hơi nước”.
Từ khi máy hơi nước xuất hiện đã có một tác dụng to lớn trong cuộc cách mạng
công nghiệp. Trước khi có máy hơi nước, mặc dù một số địa phương nào đó đã biết sử
dụng sức gió và sức nước nhưng động lực chủ yếu vẫn là sức lực của con người. Từ
khi có máy hơi nước thì loài người đã thoát ra khỏi sự hạn chế đó.
Ngoài việc dùng làm nguồn năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn
được ứng dụng trong giao thông vận tải. Sự ứng dụng rộng rãi máy hơi nước đã ảnh
hưởng đến cuộc cách mạng phương tiện giao thông của nước Anh. Năm 1814, công
trình sư người Anh George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng máy hơi

nước. Stephenson đã được suy tôn là “Cha đẻ của đầu máy xe lửa”.
Sự cải tiến giao thông đường thuỷ là đóng những chiếc tàu có thể lắp được máy
hơi nước làm động lực. Ngày 19 tháng 8 năm 1807, một nhà phát minh người Mỹ là
Fulton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng máy hơi nước chạy thử thành
công trên sông Hudson, đồng thời đã mở ra những chuyến chạy định kỳ từ New York
đến An-ba-ni.
Cuộc cách mạng công nghiệp xảy ra gần như cùng một lúc với cuộc cách mạng
ở Mỹ và ở Pháp. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được tác động to lớn của cuộc cách
mạng công nghiệp đối với đời sống thường ngày của nhân loại. Do vậy, James Watt
chính là một trong những nhân vật có ảnh hưởng nhất trong lịch sử loài người.

Trang 5

Hình 1. 2 Mô hình động cơ hơi nước của James Watt


Động cơ hơi nước hay máy hơi nước là một loại động cơ nhiệt đốt ngoài sử
dụng nhiệt năng của hơi nước, chuyển năng lượng này thành công năng. Các động cơ
hơi nước đầu tiên được sử dụng như là bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu
máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường
bộ khác và là nền tảng cơ bản nhất cho cách mạng công nghiệp. Các tuốc bin hơi
nước, về mặt kỹ thuật cũng là một loại động cơ hơi nước, ngày nay đang được sử
dụng rộng rãi cho máy phát điện nhưng các loại cũ hơn hầu như được thay thế
bằng động cơ đốt trong và động cơ điện.
Một động cơ hơi nước cần một nồi hơi súp để đun nước sôi tạo hơi. Việc giãn nở
của hơi tạo một lực đẩy lên piston hay các cánh tuốc bin và chuyển động thẳng được
chuyển thành chuyển động quay để quay bánh xe hay truyền động cho các bộ phận cơ
khí khác. Một trong những lợi thế của động cơ hơi nước là nó có thể sử dụng bất cứ
nguồn nhiệt nào để đun nồi hơi nhưng các loại nguồn nhiệt thông dụng nhất là đun
củi, than đá hay dầu hay sử dụng hơi nhiệt năng thu được từ lò phản ứng hạt nhân.

Động cơ hơi nước sở dĩ có thể vận hành được là do dựa vào sức mạnh của hơi
nước làm máy hoạt động. Chúng ta lúc thường ngày đều đã từng đun nước sôi, khi
nước trong ấm sôi bồng lên, chúng ta liền phát hiện thấy có hơi nước bay ra. Sức
mạnh của những hơi nước này là rất lớn, có thể đẩy bật nắp ấm. Nếu như thay đổi một
chút, dùng nồi thật to để đun nước, thì sức mạnh của hơi nước càng lớn. Khi nước bắt
đầu bốc hơi, nếu chúng ta dẫn nó vào trong lỗ nhỏ, ví dụ như một đường ống, rồi lại
để nó bốc hơi lên xung lực của nó sẽ càng mạnh mẽ, đủ để làm cho máy móc vận
hành. Động cơ hơi nước chính là lợi dụng nguyên lý này, cho đến ngày nay, đầu máy
hơi nước và máy điện báo vẫn được vận hành bằng hơi nước.
II. Bước đầu hình thành nhiệt học
Tới thế kỉ XVIII, cơ học đã trưởng thành, trong khi đó thì nhiệt học mới bắt đầu
được hình thành. Ở thời cổ đại và trung đại, “nóng” và “lạnh” theo Aristote là hai tính
chất nguyên thủy của vật chất, vì vậy không ai đặt vấn đề nghiên cứu những tính chất
Trang 6


của “nóng” và “lạnh”, mặc dù người ta cũng đã phân biệt được bằng cảm giác những
mức độ nóng, lạnh khác nhau.

1. Sự hình thành các thang đo nhiệt độ
Bước sang thế kỉ XVII, sự phát triển của khoa học và kĩ thuật đã yêu cầu phải
xác định mức độ nóng, lạnh bằng những chỉ tiêu khách quan. Galileo Galilei người
đặt viên gạch đầu tiên:
Galileo Galilei (15/2/1564-8/1/1642) là một nhà thiên
văn học, vật lý học, toán học và triết học người Ý, người
đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng khoa
học.Các thành tựu của ông gồm những cải tiến cho kính
thiên văn và các quan sát thiên văn sau đó, và ủng hộ
Chủ nghĩa Kopernik.
Vào cuối thế kỉ 16, chẳng có phương tiện thực tiễn nào

cho các nhà khoa học đo nhiệt lượng và nhiệt độ, khoảng
năm 1593, Galilei đã xây dựng phiên bản nhiệt nghiệm
Hình
1.
3
Galileo
Galilei
của riêng ông hoạt động dựa trên sự co
dãn
của
không khí trong một bầu thủy tinh làm
dịch chuyển
nước trong một ống gắn liền với nó.
Theo
thời
gian, ông và các đồng sự đã bỏ công
phát triển một
thang đo số đo nhiệt lượng dựa trên sự
dãn nở của
nước bên trong ống.
Một số nhà khoa học khác dựa vào
mẫu trên đã
đưa thêm một thang chia độ kèm vào
cạnh ống để
có thể đạt tới những phép đo định lượng
và như vậy
nhiệt kế ra đời. Cách chia độ các nhiệt
độ ban đầu là
hoàn toàn tùy tiện, không dựa trên một
chuẩn nào cả.

Vì vậy mỗi nhà khoa học chỉ dùng được
nhiệt kế do
chính mình chế tạo và khi trao đổi thông
báo với nhau
thì không hiểu được các chỉ số nhiệt kế
do
người
khác chế tạo. Ngành khí tượng học thời
bấy giờ sử
dụng nhiệt kế, khí áp kế, ẩm kế làm những dụng cụ cơ bản trong việc nghiên
cứu,
Hình
1. 4đòi
Ống nhiệt
nghiệm
của
Galile
hỏi phải có một loại nhiệt kế chính xác với một thang chia độ thống nhất.
Và trong khi chờ một thế kỉ sau các nhà khoa học như Daniel G. Fahrenheit và
Anders Celsius – mới bắt đầu phát triển các thang đo nhiệt độ phổ thông, thì nhiệt
nghiệm Galilei là một bước đột phá lớn. Ngoài việc có thể đo nhiệt trong không khí,
nó còn cung cấp thông tin khí tượng định lượng đầu tiên trong lịch sử.

Trang 7


Nhà khoa học người Đức Gabriel
Fahrenheit (1686 - 1736) người thợ thổi thủy
tinh đã chế tạo những nhiệt kế đầu tiên, năm
1709 ông chế tạo những nhiệt kế dùng rượu và

năm 1714 chế tạo nhiệt kế dùng thủy ngân.
Trong thang nhiệt này 32 độ F và 212 độ F là
nhiệt độ tương ứng với thời điểm nóng chảy của
nước đá và sôi của nước.
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686
1736). Ông sinh tại Gdańsk (Balan). Ông là một
nhà vật lý, kĩ sư người Đức. Ông được nhiều
Hình 1. 5 Gabriel Fahrenheit
người biết đến hơn cả với phát minh ra nhiệt kế bằng thủy ngân vào năm 1714 và
phát triển thang đo nhiệt độ mang tên ông.


Quá trình hình thành thang nhiệt độ F

Fahrenheit phát triển thang nhiệt độ của ông sau khi viếng thăm nhà thiên văn
học người Đan Mạch Ole Rømer ở Copenhagen. Rømer đã tạo ra chiếc nhiệt kế đầu
tiên mà trong đó ông sử dụng hai điểm chuẩn để phân định. Trong thang Rømer thì
điểm đóng băng của nước là 7,5 độ, điểm sôi là 60 độ và thân nhiệt trung bình của con
người theo đó sẽ là 22,5 độ theo phép đo của Rømer.
Fahrenheit chọn điểm số không trên thang nhiệt độ của ông là nhiệt độ thấp nhất
của mùa đông năm 1709, một mùa đông khắc nghiệt, ở thành phố Gdansk (Danzig)
quê hương ông. Bằng một hỗn hợp, nước đá, nước và Amoni clorid (NH 4Cl) (còn gọi
là hỗn hợp lạnh) sau đó ông có thể tạo lại điểm số không cũng như là điểm chuẩn thứ
nhất (−17,8 °C) này. Fahrenheit muốn bằng cách đó tránh được nhiệt độ âm, như
thường gặp ở thang nhiệt độ Rømer-Skala trong hoàn cảnh đời sống bình thường.
Năm 1714, ông xác định điểm chuẩn thứ hai là nhiệt độ đóng băng của nước
tinh khiết (ở 32 °F) và điểm chuẩn thứ ba là "thân nhiệt của một người khỏe mạnh" (ở
96 °F).

Trang 8

Hình 1. 6 Nhiệt kế có đơn vị độ Fahrenheit (được đánh dấu ở viền ngoài) và đơn vị độ C (được
đánh dấu trên mặt số bên trong). Thang đo Fahrenheit là thang đo nhiệt độ chuẩn hóa đầu tiên
được sử dụng rộng rãi


Theo các tiêu chuẩn hiện nay thì các điểm chuẩn trên và dưới khó có thể tạo lại
một cách thực sự chính xác được. Vì thế mà thang nhiệt độ này về sau đã được xác
định lại theo hai điểm chuẩn mới là nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ sôi của nước, tức
là 32 °F và 212 °F. Theo đó, thân nhiệt bình thường của con người sẽ là 98,6 °F (37
°C), chứ không phải là 96 °F (35,6 °C) như Fahrenheit đã xác định nữa.
Thang nhiệt độ Fahrenheit đã được sử dụng khá lâu ở Châu Âu, cho tới khi bị
thay thế bởi thang nhiệt độ Celsius. Thang nhiệt độ Fahrenheit ngày nay vẫn được sử
dụng rộng rãi ở Mỹ và một số quốc gia nói tiếng Anh khác. Năm 1742, nhà bác học
Thụy Sĩ Anders Celsius cũng xây dựng một thang đo nhiệt độ đánh số từ số 0 đến
100 mang tên ông dựa vào sự giãn nở của thủy ngân.
Anders Celsius (27/11/1701 - 25/4/1744) là một nhà thiên
văn học, nhà Vật Lý học người Thụy Điển. Ông là giáo sư thiên
văn học tại Đại học Uppsala (1730-1744), nhưng đi du lịch (17321735) thăm đài quan sát đáng chú ý tại Đức, Italy và Pháp. Ông
thành lập Đài quan sát thiên văn học Uppsala vào năm 1741, và
năm 1742 ông đề nghị các nhiệt độ quy mô mà lấy tên của ông,
Celsius. Quy mô này sau đó đảo ngược vào năm 1745 bởi Carl
Linnaeus, một năm sau khi Celsius mất
 Quá trình hình thành thang đo độ C

Hình 1. 7 Celsius

Celsius là người đầu tiên đề ra hệ thống đo nhiệt độ căn cứ theo trạng thái của
nước. Ông tiến hành thí nghiệm trong hai năm liền và công bố kết quả vào năm 1742.
Các thí nghiệm được tiến hành trong những thời tiết khác nhau và với những áp suất
khí quyển khác nhau. Không những ông đặt nhiệt kế vào đá đang tan, mà lúc trời rét

giá, ông còn lấy tuyết lạnh ngoài trời và mang vào trong phòng đặt lên bếp lò cho đến
khi nó bắt đầu tan, hoặc mang thùng có đá đang tan đặt lên bếp lò thêm một lúc…
Ông nghiệm thấy rằng nhiệt độ của nước đá hoặc tuyết đang tan đúng là một điểm cố
định. Ông nghiệm thấy rằng nhiệt độ sôi của nước phụ thuộc vào áp suất khí quyển.
Cuối cùng, ông đề nghị một thang nhiệt độ mới có hai điểm cố định. Điểm 100° là
nhiệt độ nóng chảy của nước đá và điểm 0° là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất
Trang 9
Hình 1. 8 Thang nhiệt độ Celsius


760mmHg. Sau này nhà thực vật học Carl
Linnaeus đã đảo lại thang nhiệt độ đó. Và thang
nhiệt độ này hiện nay được gọi là thang nhiệt độ
Celsius, và đơn vị kí hiệu là °C.
Một số nhà khoa học khác cũng đề nghị một
số thang nhiệt độ khác, nhưng chúng không được
sử dụng. Nhiệt kế lúc đầu dùng chủ yếu trong các
ngành khí tượng, đã dần dần được sử dụng rộng
rãi trong các ngành khoa học khác và trong đời
sống hàng ngày, thúc đẩy sự nghiên cứu các hiện
tượng nhiệt.
Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến đến quá trình truyền nhiệt giữa các
vật thể. Nếu như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700 – 1782) đã nghiên cứu động học
của chất khí và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyển động vi mô của các
hạt. Ngược lại Antoine Lavoisier (1743 – 1794) có những nghiên cứu và có kết luận
rằng quá trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một
dạng chất lưu.

2. Nhiệt lượng và bản chất của nhiệt
Mặc dù thực nghiệm đã đạt mức chính xác cao như vậy, những khái niệm cơ bản

của nhiệt học vẫn chưa được xác định rõ ràng. Các nhà nghiên cứu còn lẫn lộn giữa
nhiệt lượng và nhiệt độ và hay sử dụng rối ren như là “nhiệt lượng”, “bậc nhiệt”, “độ
nhiệt”. Tới giữa thế kỉ XVIII, có người đã nêu vấn đề phải phân biệt các khái niệm
nhiệt độ và nhiệt lượng, nhưng ý đó không được ai chú ý, và việc xây dựng các khái
niệm chính xác được tiến hành một cách chậm chạp.
Những phép đo nhiệt lượng đầu tiên được mô tả trong những công trình Viện
hàn lâm khoa học Pêtecbua, đặc biệt là của Rixman (1711 – 1753). Năm 1750, ông
công bố bài báo “Suy nghĩ về lượng nhiệt phải thu được khi trộn lẫn những chất lỏng
có nhiệt độ xác định”. Đó là bài toán xác định nhiệt độ cuối cùng của một hỗn hợp khi
ta trộn lẫn nhiều lượng có nhiệt độ ban đầu khác nhau của cùng một chất lỏng.
Rixman đã đi đến công thức cân bằng nhiệt gọi là công thức Rixman :

t

m1t1  m2t2  m3t3  ...
m1  m2  m3  ...

Tuy nhiên, ông vẫn chưa nắm được khái niệm nhiệt lượng và ông giải thích
rằng “nhiệt” trong công thức của ông (tức là các lượng t) “không phải là nhiệt thật, mà
là nhiệt dôi ra so với của thang nhiệt độ Fahrenheit”. Ông vẫn lẫn lộn giữa nhiệt độ
và nhiệt lượng nhưng đã cảm thấy rằng ở đây có sự khác biệt giữa cái trao đổi giữa
các lượng chất lỏng (nhiệt lượng) và cái đo được bằng nhiệt kế ( nhiệt độ).

Trang 10


Wilkers (1732- 1796) và Black (1728 – 1799) đã tiếp tục sự nghiên cứu của
Rixman. Năm 1722, khi nghiên cứu nhiệt lượng trong một hỗn hợp nước và tuyết,
Wilkers đã thấy rằng một phần nhiệt lượng bị biến mất. Ông đã đi đến khái niệm ẩn
nhiệt tan của tuyết, và thấy rằng phải đưa vào một khái niệm mới, sau này mang tên là

“nhiệt dung”. Black cũng đã đi đến kết luận như vậy. Ông là người đầu tiên đã phân
biệt rõ ràng các khái niệm nhiệt độ và nhiệt lượng, là người đầu tiên đã dùng thuật
ngữ “nhiệt dung” ông cũng nhận xét rằng trong suốt thời gian nước đá tan thành nước,
dùng ta có cung cấp thêm nhiệt, độ chỉ của nhiệt kế vẫn giữ nguyên không đổi cho
đến khi đá tan hết. Ông đã đi đến khái niệm ẩn nhiệt hóa nước của đá và ẩn nhiệt hóa
hơi của nước. Như vậy, tới những năm 70 của thế kỉ XVIII, những khái niệm cơ bản
của phép đo nhiệt lượng đã được hình thành, nhưng phải một thế kỉ mới xác định
được đơn vị của nhiệt lượng, và tên gọi của nó là “Calo”.
Cũng vào thời gian này đã hình thành những lí thuyết khoa học về nhiệt. Có hai
lí thuyết khác nhau về bản chất của nhiệt, một thuyết cho nhiệt là một chất lỏng đặc
biệt, và một thuyết cho nhiệt là sự chuyển động của những hạt vật chất.
Thuyết “chất nhiệt” cho rằng nhiệt là một loại chất lỏng không trọng lượng
thấm vào mọi vật và có khả năng truyền từ vật này sang vật khác. Thuyết này phù hợp
với tư tưởng của Newton, giải thích được dễ dàng công thức Rixman cũng như những
công thức khác có tính đến các ẩn nhiệt, nó đước công nhận một cách rộng rãi và tồn
tại trong khoa học đến tận giữa thế kỉ XIX.
Francis Bacon và Descartes coi nhiệt là chuyển dộng của những hạt vật chất rất
nhỏ, nhưng không dựa vào được sự kiện thực tế nào để làm cơ sở cho quan niệm đó.
Tới thế kỉ XVIII khái niệm “khí” chưa được xác định rõ ràng. Người ta mới chỉ biết
đến không khí và hơi nước, và coi chúng đều là những khí. Bernoulli coi không khí là
gồm những hạt chuyển động hết sức nhanh theo mọi phương và tạo thành một “ chất
lỏng đàn hồi”. Khi không khí nóng lên, tốc độ chuyển động tăng lên và do đó độ đàn
hồi của “chất lỏng đàn hồi” cũng tăng lên. Đó là ý đồ đầu tiên trong khoa học muốn
giải thích tính chất của chất khí bằng chuyển động của các phân tử, và Bernoulli được
coi là một trong những người đã xây dựng thuyết động học phân tử của chất khí.
Boyle và Euler (Ơle) cho rằng nhiệt bản chất là chuyển động của các phân tử.
Lavoisier và Laplace còn nói rằng nhiệt là tổng tất cả các hoạt lực của các phân tử.
Những lí thuyết động học lúc đó không dẫn đến những phép đo định lượng,
những ứng dụng thực tế nên ít được các nhà khoa học chú ý, do vậy mà chất nhiệt và
các chất lỏng không trọng lượng khác dễ được chấp nhận hơn. Trong các công trình

khoa học thời bấy giờ, ta thường gặp các phương trình phản ứng theo kiểu như:
Nước đá + chất nhiệt = nước
Nước + chất nhiệt = hơi nước

Trang 11


Thế kỉ XVIII là thế kỉ của chất lỏng không trọng lượng. Đây là tư tưởng siêu
hình nhưng đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của khoa học. Tuy nhiên , sau này
khoa học phải đấu tranh chống lại tư tưởng đó và loại nó ra khỏi khoa học, nhưng
trong thời gian đầu nó đóng một vai trò tích cực, thúc đẩy sự phát triển của vật lí học.
Cho đến thế kỷ XIX khi những thí nghiệm của Joule (nhà vật lí người Anh) xác
định được một cách chính xác sự tương đương giữa nhiệt lượng và công thì thuyết
động học phân tử về bản chất của nhiệt mới thắng thế .
Bằng thí nghiệm của mình, Joule đã chứng tỏ được rằng nguyên lí cơ bản của
thuyết chất nhiệt là bảo toàn chất nhiệt là không đúng, thí nghiệm nổi tiếng của Joule
(xác định mối liên hệ giữa công và nhiệt) là một minh chứng cho sự đúng đắn của
định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, tiền đề xây dựng nên nguyên lý thứ
nhất
của
nhiệt
động
lực
học.

Hình trái: Joule và các thí
nghiệm
chứng
mối liên
giữa cường độ dòng

Hình
1. 9 Joule
vàminh
thí nghiệm
củahệông
điện, điện trở và nhiệt tỏa ra. Hình phải: bố trí thí nghiệm “khấy nước” nổi tiếng của
Joule chứng minh công có thể chuyển hóa thành nhiệt. (Khi quả nặng chuyển động
xuống do trọng lực phần dây cuốn sẽ làm quay trục gỗ, trục gỗ nối với các tấm gỗ có
thể khuấy động nước làm nước nóng lên => chứng tỏ công sinh ra đã chuyển thành
nhiệt).
Định luật 0 hay nguyên lý cân bằng nhiệt động, nói về cân bằng nhiệt động. Hai
hệ nhiệt động đang nằm trong cân bằng nhiệt động với nhau khi chúng được cho tiếp
xúc với nhau nhưng không có trao đổi năng lượng. Nó được phát biểu như sau: "Nếu
hai hệ có cân bằng nhiệt động với cùng một hệ thứ ba thì chúng cũng cân bằng nhiệt
động với nhau".
Định luật 0 được phát biểu muộn hơn 3 định luật còn lại nhưng lại rất quan
trọng nên được đánh số 0. Cân bằng nhiệt động bao hàm cả cân bằng nhiệt, cân bằng
cơ học và cân bằng hoá học. Đây cũng là nền tảng của phép đo nhiệt.

Trang 12


CHƯƠNG II: SỰ PHÁT MINH RA ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ
CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG
I. Bước đầu nghiên cứu sự chuyển hóa của nhiệt và công
Trong vật lý học thế kỉ XVIII, thực nghiệm giữ vị trí thống trị và vật lý học cũng
được định nghĩa là “môn khoa học về tất cả những gì có thể nhận thức được thông qua
thí nghiệm”. Tới thế kỉ XIX, Poggendorf, một nhà vật lý thực nghiệm, tổng biên tập
tờ tạp chí nổi tiếng “Biên niên vật lý học”, không bao giờ cho phép xuất hiện một bài
báo mà nội dung không dựa trên kết quả thực nghiệm. Tuy vậy, tình hình cũng đã thay

đổi, quang học sóng của Young và Fresnel, tĩnh điện học và tĩnh từ học của Gauss và
Greene đã phát triển theo mẫu lí thuyết hấp dẫn của Newton, điện động lực học cũng
đang phát triển theo phương hướng một lí thuyết toán học. Vật lý lí thuyết đã xuất
hiện, nhưng việc xây dựng các lí thuyết về các hiện tượng nhiệt là chậm nhất, vì nhiệt
học vẫn còn đang ở giai đoạn tích lũy các số liệu thực nghiệm. Bacon, Descartes,
Newton, Lomonosov và một số nhà bác học đã nêu lên ý nghĩa về mối liên hệ giữa
nhiệt và sự chuyển động của các hạt vật chất, nhưng các nhà vật lí học nửa đầu thế kỉ
XIX vẫn giữ quan niệm về “chất nhiệt”. Năm 1790, Rumford đã thực hiện một thí
nghiệm bằng cách ngâm một nòng súng vào trong một bình nước và dùng một chiếc
khoan cùn khoan nó trong 2 giờ rưỡi thì nước bắt đầu sôi. Ông coi đó là một chứng
minh rằng nhiệt là một dạng chuyển động. Nhưng đa số các nhà vật lí vẫn giải thích
rằng ma sát làm “chất nhiệt” chảy ra khỏi các vật, giống như khi ta vắt một quả chanh.
Trong khi các nhà vật lí học có uy tín không công nhận mối quan hệ giữa nhiệt và
chuyển động, thì tư tưởng về bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đã nảy sinh trong
các nhà vật lí học không chuyên và định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng ra
đời một cách khó khăn nhờ bác sĩ y khoa Mayer, nhà sản xuất rượu bia Joule và bác sĩ
y khoa Helmholtz.
Khái niệm công được hình thành trước tiên trong kỹ thuật. Vào giữa thế kỉ
XVIII, để nói về khả năng hoạt động của một máy hơi nước, người ta nêu rõ trong
một giờ nó nâng lên được bao nhiêu thùng nước lên độ cao nào, tuy nhiên lúc đó vẫn
chưa có các thuật ngữ “công” và “công suất”. Sau đó Poncelet và Coriolis bắt đầu
dùng thuật ngữ “công”, trong khi đó một số nhà nghiên cứu khác vẫn dùng các thuật
ngữ khác “mômen hoạt động”, “hiệu quả cơ học”.

Trang 13


Hình 2. 1 Máy hơi nước của Watt
Máy hơi nước được dùng ngày càng rộng rãi làm nảy sinh yêu cầu nghiên cứu
quá trình biến đổi nhiệt thành công để nâng cao hiệu suất của máy. Người đầu tiên

nghiên cứu vấn đề này là Sadi Carnot. Năm 1824, ông công bố công trình “suy nghĩ
về lực chuyển động của lửa”. Ông nhận xét rằng các máy hơi nước chắc hẳn sẽ “tạo ra
một bước ngoặt lớn trong thế giới văn minh”. Ông cho rằng mới chỉ có những biện
pháp ngẫu nhiên để cải tiến máy hơi nước một cách duy nghiệm, trong khi đó thì
“hiện tượng tạo ra chuyển động từ nhiệt chưa được nghiên cứu với một quan điểm đủ
rộng rãi”. Ông viết: “Muốn nghiên cứu nguyên tắc tạo ra chuyển động từ nhiệt một
cách thật đầy đủ,… cần phải lập luận không những đối với máy hơi nước, mà còn đối
với mọi loại động cơ nhiệt có thể nghĩ ra được, mặc dù chất được sử dụng là chất nào
và cách thực hiện tác dụng là cách nào”. Như vậy là xuất phát từ một nhiệm vụ cụ thể
do thực tiễn đề ra Carnot đã nêu ra một phương pháp trừu tượng và tổng quát để giải
quyết nó, đó chính là phương pháp nhiệt động lực học.
Nicolas Léonard Sadi Carnot, là một
nhà vật lý người Pháp. Trong tác phẩm năm
1824 Những nhận xét về động năng của sự
cháy và các loại máy móc dựa trên năng
lượng này, ông đã lần đầu tiên đưa ra lý
thuyết thành công về nhiệt năng, ngày nay
được gọi là Chu kì Carnot, nhờ đó đặt nền
tảng cho định luật thứ hai về nhiệt ...
Sadi Carnot vẫn giữ quan niệm về chất nhiệt.
Ông viết: “Sự xuất hiện lực chuyển động
trong máy hơi nước không phải do thực sự
đã tiêu hao chất nhiệt, mà là do sự chuyển
vận của chất nhiệt từ vật nóng đến vật
lạnh…Động lực của nhiệt không phụ thuộc vào tác nhân dùng để gây ra nó, số lượng
của nó chỉ
phụ2.thuộc
độ của các vật mà suy đến cùng giữa chúng đã diễn ra sự
Hình
2 Sadinhiệt

Carnot
di chuyển chất nhiệt”, tuy nhiên bản thân Carnot cũng đã nhận thấy những thiếu sót
Trang 14


của thuyết chất nhiệt. Ông nhận xét: “Những luận điểm cơ bản mà lí thuyết nhiệt dựa
vào cần phải được nghiên cứu kĩ lưỡng. Một vài dữ kiện của thí nghiệm không thể
giải thích được trong tình hình hiện nay của lí thuyết”. Và sau đó ông đã ghi trong
nhật kí của ông: “Nhiệt…là chuyển động đã thay đổi hình dạng. Nơi nào mà lực
chuyển động bị hủy diệt thì đồng thời xuất hiện nhiệt với một lượng tỉ lệ chính xác
với lượng lực chuyển động đã mất đi. Ngược lại: Khi nhiệt biến đi, bao giờ cũng xuất
hiện lực chuyển động.. Nói đúng ra, lực chuyển động không bao giờ được tạo ra,
không bao giờ bị hủy diệt; thực ra thì nó thay đổi hình dạng, tức là lúc thì gây ra loại
chuyển động này, lúc thì gây ra loại khác, nhưng không bao giờ biến mất”. Nhật kí
của Carnot chỉ được công bố sau khi ông mất. Nếu trong câu trên, ta thay “lực chuyển
động” bằng “năng lượng”, thì đó chính là sự phát biểu định luật bảo toàn và chuyển
hóa năng lượng. Sadi Carnot cũng đã tính ra đương lượng cơ học của nhiệt bằng 370
kGm/kcal, nhưng không giải thích rõ cách tính của ông. Như vậy là từ những năm 30,
tư tưởng về sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng đã bắt đầu hình thành rõ nét.
II. Sự hình thành định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

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

Julius Robert Mayer là một bác sĩ, nhà hóa học và
vật lý học
người Đức và là một trong những người sáng lập
nhiệt động lực học.
Mayer là bác sĩ y khoa làm việc trên tàu viễn
dương. Trong một chuyến đi dài ngày từ châu âu đến

đảo Giava, ông đã chú ý đến một 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 ở tĩnh
mạch có màu đỏ gần giống máu từ động mạch. Ông
kết luận rằng sự chênh lệch nhiệt độ giữa cơ thể con
người
và2.môi
trườngRobert
xung quanh phải có quan hệ số lượng với sự chênh lệch màu sắc
Hình
3 Julius
giữa máu động
mạch
và máu tĩnh mạch. Sự chênh lệch về màu sắc thể hiện mức độ
Mayer
nhu cầu của cơ thể về ôxi.
Ở thời, Mayer người ta cho rằng những quá trình sinh lý diễn ra trong cơ thể sống
không tuân theo những định luật vật lý và hóa học, vì chúng chỉ phụ thuộc vào một
nguồn "sinh lực" bí hiểm. Bằng những quan sát của mình, Mayer muốn chứng minh
Trang 15


rằng cơ thể sống cũng tuân theo những định luật vật lý học và hóa học, và trước hết là
tuân theo sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Năm 1841, sau chuyến đi biển, ông
viết một công trình nhan đề: "Về việc xác định các lực về mặt số lượng và chất
lượng", và gửi tới tạp chí "Biên niên vật lý học". Poggendorf, tổng biên tập tạp chí, đã
không đăng bài đó, và 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 Poggendorf, 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 hủy 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 có thể quy về cùng một lực, có thể đo được cái nọ bằng
cái kia, và chuyển hóa cái nọ thành cái kia theo những quy luật nhất định. Ở đây chưa
phát biểu lên một định luật nào nhưng đã có một dự cảm rõ nét về định luật bảo toàn
và chuyển hóa năng lượng. Poggendorf 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 hóa học và dược học”. Ông đưa ra lập luận
chung: "lực" là nguyên nhân gây ra mọi hiện tượng, mỗi hiện tượng đều là hiệu quả
của những hiện tượng nào đó trước nó, và cũng là nguyên nhân của 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 hủy diệt. Sau đó Mayer phân tích
sự chuyển hóa "lực rơi" (thế năng) của một vật thành "hoạt lực" (động năng) của nó,
sự chuyển hóa "hoạt lực" thành lực rơi, hoặc "hoạt lực" thành nhiệt. Ông kết luận:
“Lực là những đối tượng không trọng lượng, không bị hủy diệt và có khả năng chuyển
hóa”. Như vậy định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng lúc này đã được Mayer
phát biểu một cách rõ ràng.
Dựa vào hệ thức giữa nhiệt dung đẳng áp và nhiệt dung đẳng tích của một chất

C C  R

v
khí p
, Mayer đã tính ra đương lượng cơ của nhiệt là 365kGm/kcal. Bằng
thực nghiệm ông rút ra kết luận: việc thả cho một đơn vị trọng lượng rơi xuống từ độ
0
cao 365m ứng với việc làm nóng một lượng nước có trọng lượng bằng thế từ 0 đến

10 . Từ đó, Maye nêu lên rằng hiệu suất của các máy hơi nước là hết sức thấp và phải
tìm ra một cách khác để biến nhiệt thành công một cách có hiểu 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 hóa học và dược học” không nhận đăng
bài này vì thế ông quyết định tự xuất bản công trình đó bằng một tập sách nhỏ. Ông
tìm cách vận dụng những tư tưởng của cơ học vào sinh học. Ông nêu lên 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 lên 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 đã tự đặt cho mình nhiệm vụ
chặt bắt lấy ánh sáng Mặt Trời đang chảy liên tục đến Trái Đất, và tích lũy cái lực linh
hoạt cực kỳ ấy, đưa nó về trạng thái bất động. Để đạt mục đích ấy, thiên nhiên bao
Trang 16


phủ mặt đất bằng những cơ thể mà khi sinh sống chúng hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, và
khi sử dụng lực Mặt Trời đó thì làm nảy sinh một lượng các lực hóa học được đổi mới
liên tục. Các cơ thể đó chính là các thực vật". Như vậy, Mayer đã nêu ra vai trò của
cây xanh trong việc chuyển hóa năng lượng của vũ trụ bằng sự quang hợp.
Trong ba công trình nói trên, Mayer đã nêu lên được những tư tưởng tổng quát
về bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, đã phân tích những trường hợp cụ thể về
chuyển hóa năng lượng, đã tìm ra cách tính đương lượng cơ của nhiệt và nêu lên một
bức tranh tổng quan về chuyển hóa năng lượng trong vũ trụ. Không may cho ông,
công trình thứ nhất của ông không được công bố, công trình thứ hai in trên một tạp
chí mà các nhà vật lí không đọc, công trình thứ ba in trên một tập sách mà các nhà vật
lí không biết 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 những cách riêng của
mình và cũng đã đi đến những kết quả tương tự. Trong hoàn cảnh đó, một số người 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,
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 bị thọt và mang tật suốt đời.
Tuy nhiên, sau này các nhà vật lí đã công nhận ông là người đầu tiên phát minh
ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, hệ thức
“phương trình Mayer”.

C p  Cv  R

được gọi tên là

2. Joule và việc xây dựng cơ sở thực nghiệm của định luật bảo
toàn và chuyển hóa năng lượng

James Prescott Joule là một nhà vật lý
người Anh sinh tại Salford, Lancashire. Joule là
người học về nhiệt và đã có công phát hiện ra
mối liên hệ của nhiệt với công.
Những công trình thực nghiệm của Joule
được thực hiện đồng thời với Mayer, nhưng độc
lập với những nghiên cứu của Mayer. Chúng đã
tạo ra một cơ sở thực nghiệm vững vàng cho tư
tưởng tổng quát của Mayer.
Trang 17


Năm 1841
ông công bố trên “Tạp chí triết học” một bài nghiên cứu về hiệu
ứng nhiệt của dòng điện. Ông nêu lên rằng lượng nhiệt tỏa ra trong dây dẫn tỉ lệ với
Hình 2. 4 James bình
Prescott

Joulecường độ dòng điện. Cũng vào thời gian đó, Viện sĩ viện hàn lâm Lentz
phương
cũng nghiên cứu vấn đề đó một cách toàn diện một cách chính xác hơn xác định các
đơn vị điện trở, dòng điện và sức điện động, khảo sát nhiều loại điện trở khác nhau và
đi đến một định luật đầy đủ là định luật Joule – Lentz được công bố năm 1843. Định
luật đó được mang tên là định luật Joule – Lentz.
Ngay trong khi làm thí nghiệm trên, Joule phỏng đoán rằng nhiệt tỏa ra trong
dây dẫn là do các phản ứng hóa học trong bộ pin gây ra. Sau đó, ông nghiên cứu
lượng nhiệt tổng cộng tỏa ra trong toàn mạch, bao gồm cả bộ pin và ông xác định rằng
lượng nhiệt đó đúng bằng lượng nhiệt của phán ứng hóa học diễn ra trong bộ pin. Ông
kết luận: “Có thể coi điện là một tác nhân quan trọng, nó chuyển tải, sắp xếp và biến
đổi nhiệt hóa học”. Như vậy, ông coi rằng nhiệt do phản ứng hóa học gây ra ở bộ pin
đã được dòng điện tải đi và phân bố trong các phần khác nhau của mạch điện.
Thế nhưng dòng điện cũng có thể do một máy phát điện sinh ra, trong trường
hợp này nguồn gốc của lượng nhiệt tỏa ra trong dây dẫn là ở đâu? Joule tiếp tục thí
nghiệm để giải đáp vấn đề đó. Trước hết ông khảo sát lượng nhiệt do dòng điện cảm
ứng gây ra. Ông đặt một cuộn dây dẫn có lõi sắt và một bình nước và cho cả bình
quay trong từ trường. Sau khi đo lượng nhiệt tỏa ra và đo cường độ dòng điện cảm
ứng, ông đi đến kết luận rằng dòng điện cảm ứng, giống như dòng điện ganvanic,
cũng tỏa nhiệt và nhiệt lượng tỏa ra cũng tỉ lệ với điện trở và 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. Sau khi đo lượng nhiệt tỏa ra và công do các quả nặng rơi thực hiện,
ông tính được đương lượng cơ học của nhiệt bằng 460 kGm/kcal. Những thí nghiệm
và kết quả nói trên được Joule công bố năm 1743 trong công trình mang tên “Về hiệu
quả nhiệt của điện từ và hiệu quả cơ học của nhiệt”. Trong công trình này, ông nêu lên
một kết luận rất tổng quát và hứa hẹn sẽ dùng thực nghiệm để kiểm tra lại: “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”. Khi nêu ra
những quan niệm cách mạng như trên, Joule chưa đầy 25 tuổi. Thông báo về công
trình của ông được Hội Anh quốc tiếp nhận một cách hoài nghi.

Joule tiếp tục một loại 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 là bằng cách cho công cơ học biến đổi trực tiếp thành nhiệt mà không cần đến sự
trung gian của dòng điện. Năm 1849 – 1850 ông thực hiện một thí nghiệm đã trở
thành kinh điển. 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. Trong thí nghiệm nói trên, trực
tiếp bắt công cơ học biến thành nhiệt, ông xác định được đương lượng cơ học của
nhiệt là 424 kGm/kcal.

Trang 18


Hình 2. 5 Dụng cụ của Jun để xác định đương lượng cơ của nhiệt

Năm 1870, Joule được mời tham dự vào một hội đồng bao gồm Kelvin,
Maxwell và một số nhà bác học khác, với nhiệm vụ là xác định đương lượng cơ học
của nhiệt bằng các phương pháp thực nghiệm. Nhưng Joule không chỉ hạn chế mình ở
những hoạt động thực nghiệm. Ông luôn đứng lên bảo vệ định luật bảo toàn và
chuyển hóa năng lượng, bảo vệ lí thuyết động học về nhiệt, chống lại thuyết chất nhiệt
và quan niệm về các loại chất lỏng không trọng lượng. Ông không những là một trong
những người phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, mà còn là
một trong những người đặt nền móng ban đầu cho thuyết động học chất khí.
III. Việc tiếp tục củng cố và phát triển định luật bảo toàn và chuyển

hóa năng lượng
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.

Trang 19

Hình 2. 6 Joule và thí nghiệm của ông

Hình 2. 7 Julius Robert Mayer


Nhưng còn cần đến công sức của nhiều nhà khoa học khác nữa, trước khi nó
được các nhà vật lí học công nhận là một định luật tổng quát thiên nhiên.Giống như
Mayer, Helmholtz (1821-1894) cũng từ sinh học mà đi đến
định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz là một bác sĩ và
nhà vật lý người Đức. Theo lời của 1911 Britannica, "cuộc
đời ông từ đầu đến cuối là một người cống hiến cho khoa
học, ông phải được công nhận, về mặt văn hóa, như là một
trong những nhà khoa học tiên phong của thế kỉ 19."
Hình 2. 8 Hermann von
Helmholtz
Sau khi tốt nghiệp bác sỹ y khoa, ông đã dành thời gian để nghiên cứu khoa học
và năm 1845 ông gia nhập hội vật lý học Berlin. Ông quan tâm đến một vấn đề khó
hiểu trong sinh học, đó là giả thuyết về sự tồn tại của một “sinh lực” điều khiển hoạt
động của cơ thể sống. Từ khi còn là sinh viên, ông đã suy nghĩ rằng công nhận sự tồn
tại của “sinh lực” tức là coi rằng mỗi cơ thể sống đều có tính chất như một động cơ
vĩnh cửu.

Hình 2. 9 Minh họa cơ thể sống như một động
Hình 2. 10 Minh họa nguồn sinh lực của cơ
cơ vĩnh cửu
thể sống
Nếu thừa nhận rằng không thể có động cơ vĩnh cửu thì giữa các loại lực của
thiên nhiên phải có mối quan hệ thế nào? Khi nghiên cứu vấn đề đó, ông cũng đi đến
định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, độc lập với Mayer và Joule. Năm 1847,

ông báo cáo trước hội vật lý Berlin “Về vấn đề bảo toàn các lực”. Báo cáo này cũng
bị Poggendorf từ chối không đăng vào "Biên niên vật lý học". Helmholtz đã quyết
Trang 20


định đưa in thành một tập sách riêng, theo ông nói, nhằm cung cấp cho các nhà sinh
học những sự kiện hệ thống và một sự đánh giá có phê phán. Trong công trình này,
Helmholtz coi rằng "mọi tác dụng trong thiên nhiên đều có thể quy về các lực hút và
đẩy". Ông quan niệm thế giới bao gồm các chất điểm tương tác với nhau bằng các lực
hút và đẩy, là những lực xuyên tâm.

Hình 2. 11 Các lực tác dụng lên máy bay
Nguyên lý tổng quát nhất theo ông là nguyên lý bảo toàn hoạt lực. Nguyên lý đó
là: "Số lượng công thu được khi các vật của hệ chuyển từ trạng thái đầu sang một
trạng thái thứ 2 và số lượng công phải hao phí khi chúng chuyển từ trạng thái thứ hai
sang trạng thái đầu bao giờ cũng như nhau, mặc dù cách chuyển dịch, con đường
chuyển dịch và vận tốc chuyển dịch là như thế nào".
Helmholtz đề nghị lấy lượng v2/(2m) làm số đo hoạt lực và lượng đó đồng thời
cũng là số đo công hao phí. Đối với một hệ chất điểm, ông nêu lên "tổng các lực căng
và các hoạt lực tồn tại trong hệ bao giờ cũng không đổi" ( theo cách nói hiện nay :
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.
Khác với Mayer, Helmholtz chủ yếu nghiên cứu các quá trình vật lý và chỉ nói
rất sơ lược về các quá trình sinh học. Ông đề cập đến vấn đề chuyển hóa các dạng
năng lượng khác nhau trong các quá trình vật lí, mặc dù ông vẫn coi những dạng năng
lượng đó chỉ là những biểu hiện của "hoạt lực" và "lực căng".
Trước hết ông nghiên cứu các quá trình chuyển hóa năng lượng trong cơ học,
tức là chuyển hóa động năng thành thế năng và ngược lại. Tiếp theo ông nghiên cứu
về sự chuyển hóa chuyển động cơ học của nhiệt. Sau đó, ông chuyển sang các hiện
tượng điện. Ông xác định được năng lượng của tụ điên đã nạp điện bằng ½(q 2 /C),

trong đó q là điện tích và C điện dung của tụ điện. Khi phóng điện, năng lượng đó
biến thành nhiệt năng tỏa ra trong dây dẫn nối hai cốt của tụ điện. Ông cũng chứng tỏ
rằng quá trình phóng điện trong các chai Layden và các tụ điện nói chung là một quá
trình dao động tắt dần. Ông nêu lên rằng lượng nhiệt tỏa ra trong dây dẫn của một
Trang 21


mạch điện ganvanic ứng với công của các lực điện trong mạch và ông phân tích các
quá trình năng lượng trong các nguồn điện ganvanic và trong các hiện tượng nhiệt
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. Cuối
cùng ông kết luận :" Tôi nghĩ rằng những sự kiện kể trên chứng minh định luật đã nêu
ra (tức là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng) không mâu thuẫn với bất kì
một sự kiện đã biết của tự nhiên học và được một số lớn các sự kiện 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. Cũng như đối
với Mayer và Joule, công trình nghiên cứu của Helmholtz được các nhà vật lý học
đương thời tiếp nhận một cách rất lạnh nhạt.
Như đã nói ở trên, những phát minh mới trong các lĩnh vực nhiệt học và điện
học, nhất là việc áp dụng các hiện tượng nhiệt và điện trong kĩ thuật, trong sản xuất đã
tạo ra những tiền đề cần thiết tạo ra nhu cầu về sự hình thành định luật bảo toàn và
chuyển hóa năng lượng.
Nhưng các nhà vật lý học nửa đầu thế kỉ XIX hết sức coi trọng thực nghiệm, đến
mức không công nhận bất kì chân lí khoa học nào chưa được chứng minh bằng thực
nghiệm, trong khi đó thì định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một định luật
rất tổng quát, bao quát cả những hiện tượng thiên nhiên chưa được nghiên cứu một
cách đầy đủ. Vì vậy sự ra đời của định luật đó là một quá trình mâu thuẫn và bị chính
ngay các nhà vật lí học có uy tín phê phán và chống lại. Sau những công trình cơ bản
của Mayer, Joule và Helmholtz, còn cần có 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 bảo toàn và chuyển hóa năng lượng được
công nhận một cách trọn vẹn
William Thomson, Nam tước Kelvin thứ nhất là một nhà
vật lý, toán học, nhà phát minh vĩ đại người Scotland, là một
giáo sư Đại học Glasgow, Scotland. Ông được phong tước vị
Hoàng gia Anh là Nam tước Kelvin vì những đóng góp vĩ đại
của ông cho sự phát triển khoa học kỹ thuật cũng như sự lớn
mạnh của trường Glasgow.

Hình 2. 12 William Thomson
William Thomson (sau này là huân tước Kelvin) dựa trên công trình của Joule
đã vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào hiện tượng cảm ứng
điện từ. Ông 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. Sau đó
cũng dùng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, ông nghiên cứu hiện tượng
tự cảm và chứng minh rằng năng lượng của dây dẫn có dòng tự cảm bằng 1/2(LI 2)
trong đó I là cường độ dòng điện, L sau này được gọi là hệ số tự cảm.

Trang 22


Rudolf Julius Emanuel Clausius, là nhà vật lý và là nhà toán
học người Đức được xem là người đặt nền móng khoa học cho
nhiệt động lực học. Cũng như phát biểu của ông về nguyên lý Sadi
Carnot thường được biết đến như chu trình Carnot, ông đặt lý
thuyết về nhiệt trên một cơ sở vững chắc hơn.
Clausius cũng áp dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa
Hình
2. 13tạoRudolf
năng lượng vào các hiện tượng điện từ và rút ra: "giống như nhờ nhiệt

có thể
ra Julius
Emanuel
Clausius
công cơ học, dòng điện có khả năng một phần gây ra tác dụng cơ học và một phần
gây ra nhiệt". Sau đó ông cũng áp dụng định luật này để nghiên cứu quá trình năng
lượng trong mạch điện không đổi và trong các hiện tượng nhiệt điện.
Rankine cũng đóng góp vào việc nghiên cứu phát triển và vận dụng định luật
bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Ông là người đầu tiên sử dụng một cách rộng rãi
thuật ngữ "năng lượng". Ông hiểu năng lượng là khả năng sinh công và năm 1855 ông
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 đo bằng số lượng công mà nó có khả năng
sinh ra". Rankin phân biệt hai loại năng lượng. Năng lượng "hiện diện" hoặc" cảm thụ
được" bao gồm "hoạt lực", nhiệt, nhiệt bức xạ, ánh sáng, tác dụng hóa học, dòng
điện... Năng lượng "tiềm tàng" hoặc "ẩn" bao gồm "lực cơ học của hấp dẫn, tính đàn
hồi, ái lực hóa học, năng lượng tĩnh diện và tĩnh từ.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng càng ngày càng được áp dụng
rộng rãi hơn trong thực tiễn khoa học và kĩ thuật. Tới những năm 50 của thế kĩ XIX,
nó đã được đông đảo các nhà khoa học công nhận như một định luật tổng quát của
thiên nhiên, bao quát mọi hiện tượng vật lí. Lúc này đã nổ ra một cuộc tranh cãi về
quyền ưu tiên phát minh. Một số nhà khoa học, một số báo chí không công nhận
Mayer là người đã phát minh ra định luật, thậm chí còn lên án Mayer một cách nặng
nề là kẻ cướp phát minh của người khác, là "nhà phát minh giả hiệu". Thực ra, cuộc
đấu tranh về quyền ưu tiên phát minh gắn chặt với cuộc đấu tranh về cách hiểu thực
chất của định luật. Mayer thực sự là một nhà cách mạng trong khoa học, trong nhiều
vấn đề ông đã có một quan điểm biện chứng tự phát mà các nhà khoa học đương thời
chưa thể hiện được. Mayer đã tiếp cận vấn đề bảo toàn và chuyển hóa năng lượng với
một quan điểm triết học rất rộng rãi, trong khi đó có nhiều nhà khoa học vẫn giữ một
quan niệm duy nghiệm chật hẹp về nhận thức và chỉ công nhận Joule là người phát
minh ra định luật.

Chính Mayer là người đầu tiên nhấn mạnh sự chuyển hóa về mặt chất lượng
giữa các dạng năng lượng khác nhau, chứ không chỉ khẳng định sự không đổi của
năng lượng về mặt số lượng. Đứng về mặt thế giới quan, đó chính là mặt quan trọng
nhất của định luật nhưng nhiều nhà khoa học đương thời với Mayer lại chỉ hiểu định
luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng như một sự mở rộng phạm vi của định luật
bảo toàn hoạt lực, dưới cách nhìn của thế giới quan cơ giới về vũ trụ.
Trang 23


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. Định luật đó
đã gắn bó làm một mọi hiện tượng vật lý học, đã xóa bỏ sự ngăn cách siêu hình giữa
các lĩnh vực khác nhau của vật lí học và đã vĩnh viễn loại trừ khỏi khoa học các "chất
lỏng không trọng lượng". Ngày nay các nhà khoa học tin rằng không thể có bất kì quá
trình vật lí học nào (quá trình thực) diễn ra với sự vi phạm định luật bảo toàn và
chuyển hóa năng lượng.

CHƯƠNG III: SỰ HÌNH THÀNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ
VẬT LÝ THỐNG KÊ
I. Sự hình thành nhiệt động lực học
Từ nửa đầu thế kỷ XIX, trong công trình suy nghĩ
về “ động học của lửa”, Carnot đã đặt ra những nền
móng đầu tiên của nhiệt động lực học. Bằng cách phân
tích một động cơ nhiệt lý tưởng hoạt động theo “ Chu
trình Carnot”. Ông đã chứng minh một định luật cơ bản
mang tên là chu trình Carnot: “ Động lực của nhiệt
không phụ thuộc tác nhân dùng để gây ra nó. Số lượng
của nó chỉ phụ thuộc nhiệt độ của các vật mà giữa chúng
đã diễn ra sự di truyền chất nhiệt”. Như vậy, xuất phát từ
giả thuyết sai lầm về chất nhiệt và từ quan niệm rằng

Hình 3. 1 Sadi Carnot – Cha đẻ của
công cơ học sinh ra không phải do tiêu hao chất nhiệt, mà chỉ là do sự di chuyển chất
nhiệt động học
nhiệt, Carnot đã đi đến học một định luật đúng đắn mà ngày nay được phát biểu như
sau: “ Hiệu suất của động cơ nhiệt lí tưởng không phụ thuộc tác nhân, mà chỉ phụ
thuộc nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh”. Tuy nhiên, ông chưa tìm ra được biểu
thức chính xác cuả hiệu suất.

1. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học
Việc phát minh ra định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng đã tạo ra một cơ
sở mới cho việc tiếp tục phát triển nhiệt động lực học. Năm 1850, Claudiut ( 1822 –
1888) đã nghiên cứu sự sinh công của động cơ nhiệt với một quan điểm mới. Trái với
Carnot, ông coi rằng không phải tất cả nhiệt lượng lấy ở nguồn nóng được chuyển hết
cho nguồn lạnh. Chỉ một phần nhiệt được chuyển cho phần lạnh, còn một phần biến
thành công cơ học. Giữa lượng nhiệt tiêu hao và lượng công tạo thành luôn luôn có
một quan hệ tỉ lệ không đổi, đó là đương lượng cơ của nhiệt hoặc đương lượng nhiệt
của công. Claudius coi luận điểm đó là luận điểm cơ bản thứ nhất ( nguyên lý thứ
Trang 24

Hình 3. 2 Rudolf Julius Emanuel
Clausius