Wenn du messen kannst, wovon du sprichst, und es in Zahlen ausdrücken kannst, weißt du etwas darüber; wenn du es nicht in Zahlen ausdrücken kannst, ist dein Wissen von dürftiger und unbefriedigender Art; es mag der Anfang von Wissen sein, aber du bist in deinen Gedanken kaum auf die Stufe der Wissenschaft vorgerückt.
William Thomson, 1st Baron Kelvin, war ein britischer mathematischer Physiker und Ingenieur, geboren in Belfast. Als Professor of Natural Philosophy an der University of Glasgow 53 Jahre lang tätig, leistete er wichtige Arbeit in der mathematischen Analyse der Elektrizität und Formulierung der ersten und zweiten Hauptsätze der Thermodynamik und trug viel zur Vereinigung der aufstrebenden Disziplin der Physik in ihrer modernen Form bei. Er erhielt die Copley Medal der Royal Society 1883, war deren Präsident 1890–1895, und 1892 war er der erste britische Wissenschaftler, der in das House of Lords erhoben wurde.
Absolute Temperaturen werden in Kelvin-Einheiten zu seiner Ehre angegeben. Obwohl die Existenz einer unteren Temperaturgrenze, des absoluten Nullpunkts, vor seiner Arbeit bekannt war, ist Kelvin dafür bekannt, dass er seinen korrekten Wert auf etwa −273,15 Grad Celsius oder −459,67 Grad Fahrenheit bestimmte. Der Joule-Thomson-Effekt ist ebenfalls nach ihm benannt.
Er arbeitete eng mit dem Mathematikprofessor Hugh Blackburn in seiner Arbeit zusammen. Er hatte auch eine Karriere als Elektrotelegraf-Ingenieur und Erfinder, die ihn in die Öffentlichkeit rückte und seinen Reichtum, Ruhm und Ruf sicherte. Für seine Arbeit am Transatlantik-Telegraf-Projekt wurde er 1866 von Königin Victoria zum Ritter geschlagen und erhielt den Namen Sir William Thomson. Er hatte umfangreiche maritime Interessen und war besonders bekannt für seine Arbeit am Kompass des Seemanns, der zuvor begrenzte Zuverlässigkeit hatte.
Er wurde 1892 in Anerkennung seiner Leistungen in der Thermodynamik und seines Widerstands gegen Irish Home Rule adelt und wurde Baron Kelvin, of Largs in der Grafschaft Ayr. Der Titel bezieht sich auf den River Kelvin, der in der Nähe seines Labors an der Gilmorehill-Heimat der University of Glasgow in Hillhead fließt. Trotz Angeboten von angesehenen Universitäten weltweit weigerte sich Kelvin, Glasgow zu verlassen, und blieb dort bis zu seiner endgültigen Pensionierung aus diesem Amt im Jahr 1899. Aktiv in der industriellen Forschung und Entwicklung, wurde er um 1899 von George Eastman rekrutiert, um als Vizevorsitzender des Board des britischen Unternehmens Kodak Limited, verbunden mit Eastman Kodak, zu dienen. 1904 wurde er Kanzler der University of Glasgow.
Sein Zuhause war das rote Sandstein-Herrenhaus Netherhall in Largs, das er in den 1870er Jahren erbaute und wo er starb. Das Hunterian Museum an der University of Glasgow verfügt über eine Dauerausstellung über Kelvins Arbeit, einschließlich vieler seiner Originalarbeiten, Instrumente und anderer Artefakte wie seiner Raucherpfeife.
Frühes Leben und Arbeit
Familie
William Thomsons Vater, James Thomson, war ein Lehrer für Mathematik und Ingenieurwissenschaften an der Royal Belfast Academical Institution und der Sohn eines Landwirts. James Thomson heiratete Margaret Gardner 1817 und von ihren Kindern überlebten vier Jungen und zwei Mädchen das Kleinkindalter. Margaret Thomson starb 1830, als William sechs Jahre alt war.
William und sein älterer Bruder James wurden von ihrem Vater zu Hause unterrichtet, während die jüngeren Jungen von ihren älteren Schwestern unterrichtet wurden. James sollte vom größten Teil der Ermutigung, Zuneigung und finanziellen Unterstützung seines Vaters profitieren und wurde auf eine Karriere im Ingenieurwesen vorbereitet.
1832 wurde sein Vater zum Professor für Mathematik in Glasgow ernannt und die Familie zog im Oktober 1833 dorthin. Die Kinder der Thomsons wurden mit einer breiteren kosmopolitischen Erfahrung eingeführt als die ländliche Erziehung ihres Vaters, verbrachten Mitte 1839 in London und die Jungen wurden in Französisch in Paris unterrichtet. Ein großer Teil von Thomsons Leben Mitte der 1840er Jahre wurde in Deutschland und den Niederlanden verbracht. Das Sprachenstudium wurde hoch priorisiert.
Seine Schwester, Anna Thomson, war die Mutter von James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926.
Jugend
Thomson hatte Herzprobleme und wäre fast gestorben, als er 9 Jahre alt war. Er besuchte die Royal Belfast Academical Institution, wo sein Vater Professor in der Universitätsabteilung war, bevor er 1834 im Alter von 10 Jahren sein Studium an der Glasgow University begann, nicht wegen irgendeiner Frühreife; die Universität bot viele der Einrichtungen einer Grundschule für begabte Schüler, und dies war ein typisches Anfangsalter.
In der Schule zeigte Thomson großes Interesse an Klassikern neben seinem natürlichen Interesse an den Wissenschaften. Mit 12 Jahren gewann er einen Preis für die Übersetzung von Lukian von Samosata's Dialogues of the Gods aus dem Lateinischen ins Englische.
Im Schuljahr 1839/1840 gewann Thomson den Klassenpreis in Astronomie für seinen Essay on the figure of the Earth, der frühe Fähigkeit in mathematischer Analyse und Kreativität zeigte. Sein Physik-Tutor zu dieser Zeit war sein Namensvetter, David Thomson.
Während seines ganzen Lebens würde er an den in dem Essay aufgeworfenen Problemen arbeiten, um während Zeiten persönlichen Stresses damit umzugehen. Auf der Titelseite dieses Essays schrieb Thomson die folgenden Zeilen aus Alexander Popes Essay on Man. Diese Zeilen inspirierten Thomson, die natürliche Welt mit Macht und Methode der Wissenschaft zu verstehen:
Go, wondrous creature! mount where Science guides;
Go measure earth, weigh air, and state the tides;
Instruct the planets in what orbs to run.
Correct old Time, and regulate the sun;
Thomson wurde von Fouriers Théorie analytique de la chaleur fasziniert und verpflichtete sich, die „kontinentale" Mathematik zu studieren, der ein britisches Establishment, das immer noch im Schatten von Sir Isaac Newton arbeitete, widerstand. Nicht überraschend war Fouriers Arbeit von inländischen Mathematikern angegriffen worden, Philip Kelland verfasste ein kritisches Buch. Das Buch motivierte Thomson, seine erste veröffentlichte wissenschaftliche Arbeit unter dem Pseudonym P.Q.R. zu verfassen, die Fourier verteidigte, und reichte von seinem Vater beim Cambridge Mathematical Journal ein. Eine zweite P.Q.R.-Arbeit folgte fast sofort.
Während eines Urlaubs mit seiner Familie in Lamlash 1841 schrieb er eine dritte, substanzialere P.Q.R.-Arbeit On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity. In dem Artikel machte er bemerkenswerte Verbindungen zwischen den mathematischen Theorien der Wärmeleitung und Elektrostatik, eine Analogie, die James Clerk Maxwell letztendlich als eine der wertvollsten wissenschaftsbildenden Ideen beschreiben sollte.
Cambridge
Williamsam Vater konnte eine großzügige Bestimmung für die Ausbildung seines Lieblingssohnes treffen und installierte ihn 1841 mit umfangreichen Einführungsschreiben und ausreichender Unterkunft in Peterhouse, Cambridge. Während seines Aufenthalts in Cambridge war Thomson aktiv in Sport, Leichtathletik und Rudern und gewann 1843 die Colquhoun Sculls. Er interessierte sich auch lebhaft für Klassiker, Musik und Literatur; aber die wahre Liebe seines intellektuellen Lebens war die Verfolgung von Wissenschaft. Das Studium der Mathematik, Physik und besonders der Elektrizität hatte seine Phantasie gefangen genommen. 1845 machte Thomson seinen Abschluss als Second Wrangler. Er gewann auch den First Smith's Prize, der, anders als das tripos, ein Test der Originalforschung ist. Robert Leslie Ellis, einer der Prüfer, soll zu einem anderen Prüfer gesagt haben „Du und ich sind gerade so geeignet, ihm die Federn zu reparieren."
1845 gab er die erste mathematische Entwicklung von Michael Faradays Idee, dass elektrische Induktion durch ein dazwischenliegendes Medium, oder „Dielektrikum", stattfindet, und nicht durch irgendeine unverständliche „Fernwirkung". Er erfand auch die mathematische Technik der elektrischen Bilder, die ein mächtiges Werkzeug zur Lösung von Elektrostatik-Problemen wurde, der Wissenschaft, die sich mit den Kräften zwischen elektrisch geladenen Körpern in Ruhe befasst. Es war teilweise als Reaktion auf seine Ermutigung, dass Faraday die Forschung im September 1845 unternahm, die zur Entdeckung des Faraday-Effekts führte, die etablierte, dass Licht- und Magnetik- und somit Elektrizitätsphänomene miteinander verbunden waren.
Er wurde im Juni 1845 zum Fellow von St. Peter's gewählt, wie Peterhouse zu dieser Zeit oft genannt wurde. Nach Erhalt des Fellowship verbrachte er einige Zeit im Labor des berühmten Henri Victor Regnault in Paris; aber 1846 wurde er zum Inhaber des Lehrstuhls für Naturphilosophie an der University of Glasgow ernannt. Mit zweiundzwanzig Jahren fand er sich selbst in der Robe eines Professors an einer der ältesten Universitäten des Landes und unterrichtete die Klasse, von der er wenige Jahre zuvor ein Student im ersten Jahr war.
Thermodynamik
Bis 1847 hatte Thomson bereits einen Ruf als precocius und eigenwilliger Wissenschaftler erworben, als er das Jahrestreffen der British Association for the Advancement of Science in Oxford besuchte. Bei diesem Treffen hörte er James Prescott Joule, der einen weiteren seiner bisherigen unwirksamen Versuche unternahm, die kalorische Theorie der Wärme und die Wärmemaschinentheorie zu diskreditieren, die von Sadi Carnot und Émile Clapeyron aufgebaut wurde. Joule argumentierte für die gegenseitige Konvertibilität von Wärme und mechanischer Arbeit und für ihre mechanische Äquivalenz.
Thomson war fasziniert, aber skeptisch. Obwohl er fühlte, dass Joules Ergebnisse eine theoretische Erklärung erforderten, zog er sich in ein noch tieferes Engagement für die Carnot-Clapeyron-Schule zurück. Er sagte voraus, dass der Schmelzpunkt von Eis mit Druck fallen muss, sonst könnte seine Expansion beim Gefrieren in einem perpetuum mobile ausgenutzt werden. Die experimentelle Bestätigung in seinem Labor trug viel dazu bei, seine Überzeugungen zu stärken.
1848 erweiterte er die Carnot-Clapeyron-Theorie weiter durch seine Unzufriedenheit darüber, dass das Gasthermometer nur eine operationale Definition der Temperatur lieferte. Er schlug eine absolute Temperaturskala vor, bei der eine Wärmemenge, die von einem Körper A bei der Temperatur T° dieser Skala auf einen Körper B bei der Temperatur T−1° absteigt, den gleichen mechanischen Effekt ergeben würde, unabhängig davon, welche Zahl T ist. Eine solche Skala wäre völlig unabhängig von den physikalischen Eigenschaften einer bestimmten Substanz. Durch Verwendung eines solchen „Wasserfalls" postulierte Thomson, dass ein Punkt erreicht würde, an dem keine weitere Wärmekalorik übertragen werden könnte, der Punkt des absoluten Nullpunkts, über den Guillaume Amontons 1702 spekuliert hatte. „Reflections on the Motive Power of Heat", veröffentlicht von Carnot 1824 auf Französisch, dem Jahr von Lord Kelvins Geburt, verwendete −267 als Schätzung der absoluten Nulltemperatur. Thomson nutzte von Regnault veröffentlichte Daten, um seine Skala gegen etablierte Messungen zu kalibrieren.
In seiner Veröffentlichung schrieb Thomson:
Die Umwandlung von Wärme (oder Kalorik) in mechanischen Effekt ist wahrscheinlich unmöglich, sicherlich nicht entdeckt
—Aber eine Fußnote signalisierte seine ersten Zweifel an der kalorischen Theorie und verwies auf Joules sehr bemerkenswerte Entdeckungen. Überraschenderweise schickte Thomson Joule keine Kopie seines Papiers, aber als Joule es schließlich las, schrieb er Thomson am 6. Oktober und behauptete, dass seine Studien die Umwandlung von Wärme in Arbeit demonstriert hatten, aber dass er weitere Experimente plante. Thomson antwortete am 27. Oktober und offenbarte, dass er seine eigenen Experimente plante und auf eine Versöhnung ihrer beiden Ansichten hoffte.
Thomson kehrte zurück, um Carnots ursprüngliche Veröffentlichung zu kritisieren und las seine Analyse im Januar 1849 der Royal Society of Edinburgh vor, immer noch überzeugt, dass die Theorie grundlegend solide war. Obwohl Thomson jedoch keine neuen Experimente durchführte, wurde er über die nächsten zwei Jahre zunehmend unzufrieden mit Carnots Theorie und überzeugt von Joules. Im Februar 1851 setzte er sich hin, um sein neues Denken zu artikulieren. Er war unsicher, wie er seine Theorie rahmen sollte, und das Papier ging durch mehrere Entwürfe, bevor er sich auf einen Versuch einigte, Carnot und Joule zu versöhnen. Während seines Umschreibens scheint er Ideen in Betracht gezogen zu haben, die später zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik führten. In Carnots Theorie war verlorene Wärme absolut verloren, aber Thomson argumentierte, dass sie „für den Menschen unwiederbringlich verloren war; aber nicht in der materiellen Welt verloren". Darüber hinaus führten seine theologischen Überzeugungen zu Spekulationen über den Wärmetod des Universums.
Ich glaube, die Tendenz in der materiellen Welt ist, dass sich Bewegung ausbreitet, und dass insgesamt das Gegenteil von Konzentration allmählich abläuft – Ich glaube, dass keine physikalische Aktion die Wärme, die von der Sonne emittiert wird, je wiederherstellen kann, und dass diese Quelle nicht unerschöpflich ist; auch dass die Bewegungen der Erde und anderer Planeten vis viva verlieren, die in Wärme umgewandelt wird; und dass, obwohl einige vis viva möglicherweise wiederhergestellt werden können, zum Beispiel auf der Erde durch von der Sonne empfangene Wärme oder durch andere Mittel, dass der Verlust nicht genau kompensiert werden kann und ich halte es für wahrscheinlich, dass er unterkompensiert ist.
Die Kompensation würde einen kreativen Akt oder einen Akt mit ähnlicher Kraft erfordern.
In der endgültigen Veröffentlichung zog sich Thomson von einem radikalen Abweicher zurück und erklärte „die ganze Theorie der Antriebskraft von Wärme basiert auf ... zwei ... Propositionen, die jeweils auf Joule und auf Carnot und Clausius zurückgehen." Thomson fuhr dann fort, eine Form des zweiten Hauptsatzes anzugeben:
Es ist unmöglich, durch inanimate materielle Agentur, mechanischen Effekt von
