Mở cửa cho sự thống nhất năng lượng

Trước giữa thế kỷ 19, người ta thường tin rằng "nhiệt" là một dạng chất gọi là "nhiệt chất", hoàn toàn không liên quan đến chuyển động cơ học. Tuy nhiên,James Prescott Joulethông qua hơn 40 năm thực nghiệm nghiêm ngặt, ông đã bác bỏ hoàn toàn giả thuyết này. Phát hiện cốt lõi của ông là:Công và nhiệt lượng khi thay đổi năng lượng nội tại của hệ thống là hoàn toàn tương đương nhau.

Hai thí nghiệm cốt lõi của Joule

• Thí nghiệm 1: Chuyển hóa trực tiếp năng lượng cơ học: Như hình 3.1-1, trong bình cách nhiệt, vật nặng rơi xuống làm công thông qua cánh khuấy. Joule phát hiện rằng, miễn là độ dịch chuyển của vật nặng giống nhau, nhiệt độ nước tăng lên $\Delta T$ sẽ hoàn toàn như nhau. Điều này chứng minh rằngcông có thể tạo ra hiệu ứng hoàn toàn giống như truyền nhiệt.
• Thí nghiệm 2: Đa dạng các con đường chuyển hóa: Như hình 3.1-2, vật nặng làm quay máy phát điện, dòng điện đi qua dây dẫn tỏa nhiệt. Dù trải qua quá trình chuyển hóa phức tạp "năng lượng cơ học → năng lượng điện → năng lượng nội tại", mối quan hệ định lượng của chuyển hóa năng lượng vẫn vững chắc.

Điều vĩ đại của Joule nằm ở chỗ ông không chỉ quan sát được những hiện tượng này, mà còn thông qua hàng nghìn lần thí nghiệm lặp lại đo đạc được "tương đương nhiệt – công": tức là mỗi khi sinh ra 1 calo (cal) nhiệt lượng cần thực hiện bao nhiêu joule (J) công. Điều này đã đặt nền móng thực nghiệm chođịnh luật bảo toàn năng lượngchuyển từ suy luận triết học sang quy luật vật lý chặt chẽ.