เปิดประตูสู่ความสมบูรณ์ของพลังงาน
ก่อนช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ผู้คนส่วนใหญ่เชื่อว่า 'ความร้อน' เป็นสารชนิดหนึ่งที่เรียกว่า 'เทอร์โมซิน' และไม่มีความเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวทางกลใด ๆ อย่างไรก็ตามเจมส์ พรีสคอต โจลผ่านการทดลองอย่างเข้มงวดนานถึง 40 ปี ได้ทำลายสมมุติฐานนี้อย่างสิ้นเชิง ผลการค้นพบหลักของเขาคือ:งานและพลังงานความร้อนมีผลในการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระบบอย่างเท่าเทียมกัน
การทดลองหลักสองประการของโจล
- การทดลองที่ 1: การแปลงพลังงานกลโดยตรงเช่น ในรูป 3.1-1 ในภาชนะที่ไม่ถ่ายเทความร้อน วัตถุหนักตกลงมาโดยการทำให้ใบพัดหมุน โจลพบว่า ตราบใดที่ระยะทางที่วัตถุหนักตกลงมาเท่ากัน อุณหภูมิของน้ำจะเพิ่มขึ้น $\Delta T$ อย่างแน่นอน ซึ่งแสดงให้เห็นว่างานสามารถสร้างผลลัพธ์ที่เหมือนกับการถ่ายโอนความร้อนได้อย่างสมบูรณ์
- การทดลองที่ 2: ความหลากหลายของเส้นทางการแปลงเช่น ในรูป 3.1-2 วัตถุหนักหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทานแล้วปล่อยความร้อน แม้จะผ่านกระบวนการแปลงพลังงานที่ซับซ้อนว่า 'พลังงานกล → พลังงานไฟฟ้า → พลังงานภายใน' แต่ความสัมพันธ์เชิงปริมาณของการแปลงพลังงานยังคงแข็งแกร่งไม่เปลี่ยนแปลง
ความยิ่งใหญ่ของโจลอยู่ที่เขาไม่เพียงแค่สังเกตปรากฏการณ์เหล่านี้ แต่ยังทำการทดลองซ้ำหลายพันครั้งเพื่อหาค่า 'ค่าเทียบเท่าระหว่างงานกับความร้อน': กล่าวคือ ต้องใช้แรงงานกี่จูล (J) เพื่อสร้างความร้อน 1 แคลอรี (cal) นี่เป็นรากฐานทางทดลองที่ทำให้กฎการอนุรักษ์พลังงานเปลี่ยนจากแนวคิดทางปรัชญาไปสู่กฎทางฟิสิกส์ที่เข้มงวดอย่างเป็นระบบ