Những con số làm nên vũ trụ - Phần 40

Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học

Hồi chuông cáo chung cho lí thuyết “nhiệt là một chất” có thể tìm thấy trong một bài báo của ngài Benjamin Thompson, thường được biết tới nhiều hơn với danh hiệu bá tước Rumford. (Tôi không hiểu vì sao các nhà khoa học có danh hiệu thường được biết tới với danh hiệu chứ không phải tên thật của họ; tôi đoán đó một truyền thống châu Âu.) Rumford, một bề tôi Anh quốc trung thành xứ New Hampshire, đã bay sang Mĩ sau Hiệp định Paris cho Munich, tại đó ông đã nghiên cứu sản xuất đại bác. Lúc ấy, đại bác được chế tạo bằng cách khoan một cái lỗ hình trụ trong một trụ thép. Mạt kim loại văng ra lúc khoan là cực kì nóng – Rumford đã thực sự thực hiện những phép đo chi tiết nhiệt độ của những mảnh vụn kim loại này. Cái Rumford thấy là nếu nhiệt là một chất, như lí thuyết chất nhiệt khẳng định, thì nó không thể được sinh ra vô hạn như sự khoan đại bác cho thấy. Ông cho công bố các quan sát và ước đoán của ông vào năm 1798 trong bài báo khoa học quan trọng nhất của ông, Một khảo sát thực nghiệm về nguồn gốc của nhiệt sinh ra do ma sát. Với độc giả nào của Một khảo sát thực nghiệm vẫn còn bám lấy quan điểm rằng nhiệt là một chất, Rumford đã tung ra một đòn hạ đo ván. “Cái nhất thiết cần bổ sung”, ông viết, “là cái mà bất kì một vật cô lập, hay hệ vật, có thể tiếp tục cung cấp không hạn chế, không thể nào là một chất; và đối với tôi dường như cực kì khó, nếu không nói là không thể, nghĩ tới một cái gì đó, có khả năng được sinh ra và truyền đi, theo kiểu nhiệt được sinh ra và truyền đi trong những thí nghiệm này, trừ khi nó là sự chuyển động.”

Rumford nêu đúng – nhưng ông không nhận ra chính xác có bao nhiêu cách khác nhau ông nêu đúng, và dẫn tới những hệ quả gì. Nếu thế kỉ mười bảy được đặc trưng bởi sự ra đời của cơ học và thế kỉ mười tám là sự phát triển của hóa học, thì thế kỉ mười chín có thể xem là thế kỉ trong đó năng lượng ở nhiều dạng thức của nó được người ta hiểu rõ và khai thác.

James Joule ở tiền phương của cuộc cách mạng này. Sinh ra để làm một ông chủ hãng bia, ông và anh trai của mình được dạy kèm tại nhà bởi nhà khoa học John Dalton. Cứ cho là nhiều nhà khoa học và nhà toán học lớn nhận dạy kèm tại nhà để tăng thêm thu nhập của họ, nhưng việc làm này giống như chuyện Alexander Đại đế thuê Aristotle làm thầy dạy hình học của ông. Dalton bị đột quỵ sau hai năm làm công việc này, nhưng thiên hướng khoa học và phương pháp của ông để lại dấu ấn lâu dài với Joule.

Đóng góp to lớn nhất của Joule là việc ông nhận ra rằng những dạng khác nhau của năng lượng là tương đương theo nghĩa giống như những loại tiền tệ khác nhau là tương đương. Đồng đô la và đồng euro là những dạng khác nhau của đồng tiền – chúng trông khác nhau, nhưng rốt cuộc có một tỉ giá chuyển đổi giữa hai đồng tiền cho phép chúng ta so sánh mệnh giá khi chúng được nêu ở dạng tiền tệ này hoặc dạng kia. Quan sát của Joule được phát biểu rất rõ ràng trong bài báo kinh điển năm 1845 của ông, “Về tương đương cơ học của nhiệt”, trong đó Joule nhận xét rằng “sức mạnh cơ giới tác dụng làm quay một máy điện từ được biến thành nhiệt do sự đi qua của những dòng điện cảm ứng qua những cuộn dây của nó; và, mặt khác… sức hoạt động của động cơ điện từ thu được do sự tiêu hao nhiệt do các phản ứng hóa học của pin nguồn mà nhờ đó nó hoạt động.”

Joule đã chế tạo một thiết bị rất đơn giản, trong đó một vật rơi làm quay một cái guồng dìm trong một bể chứa nước. Cơ năng từ vật rơi được biến đổi thành nhiệt bởi sự khuấy nước, và Joule đã tiến hành một số phép đo khám phá ra tốc độ chuyển đổi đó. Ngày nay, thật khó mà tưởng tượng có một cuộc trao đổi khoa học giữa một viện hàn lâm và một ông chủ hãng bia, nhưng cặp đôi đó gặp nhau dễ dàng hơn nhiều ở nước Anh thế kỉ mười chín, và một trong những người khách Joule mời tới trong buổi thuyết trình vào năm 1847 tại Hội liên hiệp Anh ở Oxford là William Thomson, vị giáo sư triết học tự nhiên mới được bổ nhiệm tại trường đại học Glasgow. Thomson, sau này trở thành huân tước Kelvin, bị thôi thúc trước những kết quả của Joule. Joule lấy vợ vào năm sau đó, và trong lúc ông và cô dâu của mình đang hưởng tuần trăng mặt ở Chamonix, bất ngờ họ chạy đến nhà Thomson. Chồng của cô dâu, rõ ràng là một kẻ lãng mạn, bỏ dở tuần trăng mật để ông và Thosom có thể cố gắng đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa đỉnh và chân một thác nước cao 1200 foot. Tôi không thấy tài liệu nào ghi chép gì về phản ứng của Amanda, nhưng rồi tôi cũng chẳng tìm thấy ghi chép nào nói chuyện này có ảnh hưởng đến cuộc sống của vợ chồng ông chủ hãng bia.

Buồn thay, vợ và con gái của Joule lìa đời vào năm năm sau đó. Joule tiếp tục nghiên cứu với Thomson – thật vậy, ông và Thomson đã phát hiện thấy khi một chất khí được phép giãn nở mà không thực hiện công, nhiệt độ của nó giảm đi, và như vậy cuối cùng đưa đến sự làm lạnh. Thật không hay, niềm đam mê khoa học của ông cũng mang đến sự chuyển nhượng hãng bia gia đình; may mắn thay, ông có được một suất hưu công dân Anh – không có gia đình, ông có thể sống thoải mái cho đến khi qua đời. Công trình nghiên cứu mà nhờ đó ông được biết tới nhiều nhất được khắc trên mộ bia của ông. Công cơ học, như đã trình bày ở phần đầu chương này, có thể đo theo newton-mét, nhưng các nhà vật lí người Anh thế kỉ mười chín lại thích sử dụng foot-pound. Nghiên cứu của Joule chỉ rõ vũ trụ biến đổi công cơ học thành nhiệt năng như thế nào, vào những ngày ấy nhiệt năng được đo theo đơn vị nhiệt của Anh (BTU), được định nghĩa là lượng nhiệt cần thiết để làm cho 1 pound nước tăng lên thêm 1 độ Fahrenheit ở áp suất khí quyển. Con số ghi trên bia mộ của Joule là 772,55, và nó tưởng niệm một thí nghiệm ông đã tiến hành vào năm 1878, khi ông chứng minh rằng cần 772,55 foot-pound công để tạo ra 1 BTU.

Mặc dù 772,55 foot-pound trên độ Fahrenheit thỉnh thoảng được gọi là hằng số Joule, nhưng nó không phải là một hằng số thật sự, theo ý nghĩa hiểu trong quyển sách này, nó thật ra chỉ là một dạng khác của nhiệt dung riêng của nước. Mọi chất đều có chúng, và mặc dù nước là một phân tử cực kì quan trọng trên Trái đất, nhưng bạn có thể chắc chắn rằng, nếu có một sinh vật tiến hóa trên cơ sở methane giống như chúng ta tiến hóa dựa trên nước, thì nhiệt dung riêng của methane sẽ thế vào chỗ hằng số Joule.

Hằng số Joule có lẽ không thật sự cơ bản, nhưng nó trực tiếp đưa đến nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học, nguyên lí phát biểu rằng năng lượng có thể chuyển hóa từ một dạng này sang một dạng khác – ví dụ như cơ băng biến đổi thành nhiệt, hoặc động năng biến thành thế năng – nhưng không thể tự sinh ra hoặc mất đi. Nếu chúng ta chọn một cái nhìn khác vào con lăn đường ray của Einstein và bắt đầu với con lăn tại vị trí cao nhất của nó, thì năng lượng toàn phần của nó đều là thế năng. Lần thứ nhất nó lăn xuống chân dốc tạo ra một lượng nhiệt nhất định qua sự ma sát trên đường ray. Tại chân dốc, năng lượng toàn phần của hệ là tổng động năng của nó, nhiệt năng sinh ra do ma sát, và thế năng nhỏ hơn vì nó ở gần tâm Trái đất hơn. Khi con lăn leo lên dốc, nó lại sinh thêm nhiệt do sự ma sát, và kết quả là nó không thể leo lên tới độ cao ban đầu của nó, vì để leo lên đỉnh sẽ đòi hỏi năng lượng toàn phần bằng với năng lượng mà hệ có ban đầu trước khi bắt đầu lăn – và một phần năng lượng đó đã tiêu tán dưới dạng nhiệt.