Cuando puedes medir lo que estás hablando, y expresarlo en números, sabes algo sobre ello, cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es de un tipo escaso e insatisfactorio; puede ser el comienzo del conocimiento, pero apenas has avanzado en tus pensamientos a la etapa de la ciencia.
William Thomson, 1st Baron Kelvin, fue un físico matemático e ingeniero británico nacido en Belfast. Profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Glasgow durante 53 años, realizó un trabajo importante en el análisis matemático de la electricidad y la formulación de las primera y segunda leyes de la termodinámica, e hizo mucho para unificar la disciplina emergente de la física en su forma moderna. Recibió la Medalla Copley de la Royal Society en 1883, fue su Presidente 1890–1895, y en 1892 fue el primer científico británico elevado a la Cámara de los Lores.
Las temperaturas absolutas se expresan en unidades de kelvin en su honor. Aunque la existencia de un límite inferior a la temperatura cero absoluto era conocida antes de su trabajo, Kelvin es conocido por determinar su valor correcto aproximadamente −273,15 grados Celsius o −459,67 grados Fahrenheit. El efecto Joule–Thomson también lleva su nombre.
Trabajó estrechamente con el profesor de matemáticas Hugh Blackburn en su trabajo. También tuvo una carrera como ingeniero e inventor de telegrafía eléctrica, que lo proyectó a la opinión pública y aseguró su riqueza, fama y honor. Por su trabajo en el proyecto del cable telegráfico transatlántico fue nombrado caballero en 1866 por la Reina Victoria, convirtiéndose en Sir William Thomson. Tenía amplios intereses marítimos y fue más notable por su trabajo en la brújula del marinero, que previamente tenía fiabilidad limitada.
Fue elevado a la nobleza en 1892 en reconocimiento de sus logros en termodinámica, y de su oposición a la autonomía de Irlanda, convirtiéndose en Baron Kelvin, de Largs en el condado de Ayr. El título se refiere al río Kelvin, que fluye cerca de su laboratorio en la sede de Gilmorehill de la Universidad de Glasgow en Hillhead. A pesar de las ofertas de puestos elevados de varias universidades de renombre mundial, Kelvin se negó a abandonar Glasgow, permaneciendo hasta su eventual jubilación de ese puesto en 1899. Activo en investigación y desarrollo industrial, fue reclutado alrededor de 1899 por George Eastman para servir como vicepresidente de la junta de la compañía británica Kodak Limited, afiliada a Eastman Kodak. En 1904 se convirtió en Rector de la Universidad de Glasgow.
Su hogar fue la mansión de arenisca roja Netherhall, en Largs, que construyó en los años 1870 y donde murió. El Museo Hunterian de la Universidad de Glasgow tiene una exposición permanente sobre el trabajo de Kelvin incluyendo muchos de sus documentos originales, instrumentos y otros artefactos, como su pipa de fumar.
Primeros años y trabajo
Familia
El padre de William Thomson, James Thomson, fue profesor de matemáticas e ingeniería en la Royal Belfast Academical Institution e hijo de un granjero. James Thomson se casó con Margaret Gardner en 1817 y de sus hijos, cuatro niños y dos niñas sobrevivieron a la infancia. Margaret Thomson murió en 1830 cuando William tenía seis años.
William y su hermano mayor James fueron tutoreados en casa por su padre mientras que los niños menores fueron tutoreados por sus hermanas mayores. Se esperaba que James se beneficiara de la mayor parte del aliento, afecto y apoyo financiero de su padre y fue preparado para una carrera en ingeniería.
En 1832, su padre fue nombrado profesor de matemáticas en Glasgow y la familia se mudó allí en octubre de 1833. Los hijos Thomson fueron introducidos a una experiencia cosmopolita más amplia que la educación rural de su padre, pasando mediados de 1839 en Londres y los niños fueron tutoreados en francés en París. Gran parte de la vida de Thomson durante mediados de los años 1840 fue pasada en Alemania y los Países Bajos. El estudio de idiomas recibió una alta prioridad.
Su hermana, Anna Thomson, fue la madre de James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926.
Juventud
Thomson tuvo problemas cardíacos y casi muere cuando tenía 9 años. Asistió a la Royal Belfast Academical Institution, donde su padre era profesor en el departamento universitario, antes de comenzar a estudiar en la Universidad de Glasgow en 1834 a la edad de 10 años, no por ninguna precociedad; la Universidad proporcionaba muchas de las instalaciones de una escuela primaria para estudiantes capaces, y esta era una edad de inicio típica.
En la escuela, Thomson mostró un vivo interés en los clásicos junto con su interés natural en las ciencias. A los 12 años ganó un premio por traducir Diálogos de los dioses de Luciano de Samosata del latín al inglés.
En el año académico 1839/1840, Thomson ganó el premio de clase en astronomía por su Ensayo sobre la figura de la Tierra que mostró una facilidad temprana para el análisis matemático y la creatividad. Su tutor de física en este momento era su homónimo, David Thomson.
A lo largo de su vida, trabajaría en los problemas planteados en el ensayo como una estrategia de afrontamiento durante tiempos de estrés personal. En la página de título de este ensayo Thomson escribió las siguientes líneas del Ensayo sobre el hombre de Alexander Pope. Estas líneas inspiraron a Thomson a comprender el mundo natural usando el poder y el método de la ciencia:
Ve, criatura maravillosa, sube donde la Ciencia guía;
Ve mide la tierra, pesa el aire, y expresa las mareas;
Instruye a los planetas en qué órbitas correr.
Corrige el viejo Tiempo, y regula el sol;
Thomson quedó intrigado por la Théorie analytique de la chaleur de Fourier y se comprometió a estudiar la matemática "Continental" resistida por un establishment británico que aún trabajaba a la sombra de Sir Isaac Newton. Sin sorpresa, el trabajo de Fourier había sido atacado por matemáticos domésticos, Philip Kelland escribiendo un libro crítico. El libro motivó a Thomson a escribir su primer trabajo científico publicado bajo el seudónimo P.Q.R., defendiendo a Fourier, y presentado al Cambridge Mathematical Journal por su padre. Un segundo documento P.Q.R. siguió casi inmediatamente.
Mientras estaba de vacaciones con su familia en Lamlash en 1841, escribió un tercer documento P.Q.R. más sustancial Sobre el movimiento uniforme del calor en cuerpos sólidos homogéneos, y su conexión con la teoría matemática de la electricidad. En el documento realizó conexiones notables entre las teorías matemáticas de la conducción de calor y la electrostática, una analogía que James Clerk Maxwell fue en última instancia describir como una de las ideas que forma la ciencia más valiosas.
Cambridge
El padre de William pudo hacer una provisión generosa para la educación de su hijo favorito e, en 1841, lo instaló, con cartas extensas de introducción y alojamiento amplio, en Peterhouse, Cambridge. Mientras estaba en Cambridge, Thomson fue activo en deportes, atletismo y remo, ganando los Remos Colquhoun en 1843. También tomó un vivo interés en los clásicos, la música y la literatura; pero el verdadero amor de su vida intelectual fue la búsqueda de la ciencia. El estudio de matemáticas, física, y en particular, de la electricidad, había cautivado su imaginación. En 1845 Thomson se graduó como Second Wrangler. También ganó el First Smith's Prize, que, a diferencia del tripos, es una prueba de investigación original. Robert Leslie Ellis, uno de los examinadores, se dice que declaró a otro examinador "Tú y yo apenas somos aptos para arreglar sus plumas".
En 1845, dio el primer desarrollo matemático de la idea de Michael Faraday de que la inducción eléctrica tiene lugar a través de un medio que interviene, o "dieléctrico", y no por alguna "acción a distancia" incomprensible. También ideó la técnica matemática de imágenes eléctricas, que se convirtió en un agente poderoso para resolver problemas de electrostática, la ciencia que se ocupa de las fuerzas entre cuerpos cargados eléctricamente en reposo. Fue en parte en respuesta a su estímulo que Faraday realizó la investigación en septiembre de 1845 que llevó al descubrimiento del efecto Faraday, que estableció que la luz y los fenómenos magnéticos y por lo tanto eléctricos estaban relacionados.
Fue elegido fellow de St. Peter's como a menudo se llamaba Peterhouse en la época en junio de 1845. Al obtener la beca, pasó algún tiempo en el laboratorio del célebre Henri Victor Regnault, en París; pero en 1846 fue nombrado a la cátedra de filosofía natural en la Universidad de Glasgow. A los veintidós años se encontró a sí mismo vistiendo la toga de un profesor en una de las universidades más antiguas del país, y dando clase a la clase de la cual había sido estudiante de primer año hace unos años.
Termodinámica
Para 1847, Thomson ya había ganado una reputación como científico precoz y heterodoxo cuando asistió a la reunión anual de la British Association for the Advancement of Science en Oxford. En esa reunión, escuchó a James Prescott Joule haciendo otro de sus, hasta ahora, inefectivos intentos de desacreditar la teoría calórica del calor y la teoría del motor de calor construida sobre ella por Sadi Carnot y Émile Clapeyron. Joule argumentó por la convertibilidad mutua del calor y el trabajo mecánico y por su equivalencia mecánica.
Thomson estaba intrigado pero escéptico. Aunque sentía que los resultados de Joule demandaban una explicación teórica, se retiró en un compromiso aún más profundo con la escuela Carnot–Clapeyron. Predijo que el punto de fusión del hielo debe caer con la presión, de lo contrario su expansión al congelarse podría ser explotada en un perpetuum mobile. La confirmación experimental en su laboratorio hizo mucho para reforzar sus creencias.
En 1848, extendió la teoría Carnot–Clapeyron aún más a través de su insatisfacción de que el termómetro de gas proporcionaba solo una definición operacional de temperatura. Propuso una escala de temperatura absoluta en la cual una unidad de calor descendiendo de un cuerpo A a la temperatura T° de esta escala, a un cuerpo B a la temperatura T−1°, produciría el mismo efecto mecánico, sea cual sea el número T. Tal escala sería completamente independiente de las propiedades físicas de cualquier sustancia específica. Empleando tal "cascada", Thomson postuló que se alcanzaría un punto en el cual no se podría transferir más calor calórico, el punto del cero absoluto sobre el cual Guillaume Amontons había especulado en 1702. "Reflexiones sobre la Fuerza Motriz del Calor", publicado por Carnot en francés en 1824, el año del nacimiento de Lord Kelvin, usó −267 como una estimación de la temperatura de cero absoluto. Thomson utilizó datos publicados por Regnault para calibrar su escala contra mediciones establecidas.
En su publicación, Thomson escribió:
La conversión de calor (o calórico) en efecto mecánico es probablemente imposible, ciertamente no descubierta
—Pero una nota al pie señaló sus primeras dudas sobre la teoría calórica, refiriéndose a los descubrimientos muy notables de Joule. Sorprendentemente, Thomson no envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando Joule finalmente lo leyó le escribió a Thomson el 6 de octubre, afirmando que sus estudios habían demostrado la conversión de calor en trabajo pero que estaba planeando más experimentos. Thomson respondió el 27 de octubre, revelando que estaba planeando sus propios experimentos y esperando una reconciliación de sus dos puntos de vista.
Thomson volvió a criticar la publicación original de Carnot y leyó su análisis a la Royal Society of Edinburgh en enero de 1849, aún convencido de que la teoría era fundamentalmente sólida. Sin embargo, aunque Thomson no realizó nuevos experimentos, durante los próximos dos años se sintió cada vez más insatisfecho con la teoría de Carnot y convencido de la de Joule. En febrero de 1851 se sentó a articular su nuevo pensamiento. Estaba inseguro de cómo enmarcar su teoría y el trabajo fue a través de varios borradores antes de que se conformara con un intento de reconciliar a Carnot y Joule. Durante su reescritura, parece haber considerado ideas que posteriormente darían lugar a la segunda ley de la termodinámica. En la teoría de Carnot, el calor perdido estaba absolutamente perdido pero Thomson argumentaba que estaba "perdido para el hombre irrecuperablemente; pero no perdido en el mundo material". Además, sus creencias teológicas lo llevaron a especular sobre la muerte térmica del universo.
Creo que la tendencia en el mundo material es que el movimiento se difunda, y que en conjunto lo opuesto a la concentración ocurre gradualmente – Creo que ninguna acción física puede jamás restaurar el calor emitido del Sol, y que esta fuente no es inagotable; también que los movimientos de la Tierra y otros planetas están perdiendo vis viva que se convierte en calor; y aunque algo de vis viva puede ser restaurado por ejemplo a la tierra por calor recibido del sol, u otros medios, que la pérdida no puede ser precisamente compensada y creo que es probable que está insuficientemente compensada.
La compensación requeriría un acto creativo o un acto que posea un poder similar.
En la publicación final, Thomson se retiró de una partida radical y declaró "toda la teoría de la fuerza motriz del calor está fundada en ... dos ... proposiciones, debidas respectivamente a Joule, y a Carnot y Clausius." Thomson continuó afirmando una forma de la segunda ley:
Es imposible, por medio de agencia material inanimada, derivar efecto mecánico de
