Quand vous pouvez mesurer ce dont vous parlez et l'exprimer en chiffres, vous savez quelque chose à ce sujet, quand vous ne pouvez pas l'exprimer en chiffres, votre connaissance est d'un genre maigre et insatisfaisant ; cela peut être le début de la connaissance, mais vous avez à peine, dans vos pensées, progressé jusqu'au stade de la science.
William Thomson, 1er Baron Kelvin, était un physicien mathématicien et ingénieur britannique né à Belfast. Professeur de Philosophie naturelle à l'Université de Glasgow pendant 53 ans, il a effectué des travaux importants dans l'analyse mathématique de l'électricité et la formulation des première et deuxième lois de la thermodynamique, et a beaucoup contribué à unifier la discipline émergente de la physique sous sa forme moderne. Il a reçu la Médaille Copley de la Royal Society en 1883, en a été président de 1890 à 1895, et en 1892 fut le premier scientifique britannique à être élevé à la Chambre des lords.
Les températures absolues sont exprimées en unités de kelvin en son honneur. Bien que l'existence d'une limite inférieure à la température, le zéro absolu, était connue avant ses travaux, Kelvin est connu pour avoir déterminé sa valeur correcte à environ −273,15 degrés Celsius ou −459,67 degrés Fahrenheit. L'effet Joule-Thomson porte également son nom.
Il a travaillé en étroite collaboration avec le professeur de mathématiques Hugh Blackburn dans ses travaux. Il a également eu une carrière en tant qu'ingénieur et inventeur de télégraphie électrique, ce qui l'a propulsé à la vue du public et a assuré sa richesse, sa célébrité et son honneur. Pour ses travaux sur le projet du télégraphe transatlantique, il a été anobli en 1866 par la Reine Victoria, devenant Sir William Thomson. Il avait des intérêts maritimes considérables et était surtout connu pour ses travaux sur la boussole du marin, qui avait auparavant une fiabilité limitée.
Il a été anobli en 1892 en reconnaissance de ses réalisations en thermodynamique et de son opposition au Home Rule irlandais, devenant Baron Kelvin, de Largs dans le comté d'Ayr. Le titre fait référence à la Rivière Kelvin, qui coule près de son laboratoire au campus de Gilmorehill de l'Université de Glasgow à Hillhead. Malgré les offres de postes prestigieux de plusieurs universités de renommée mondiale, Kelvin a refusé de quitter Glasgow, restant jusqu'à sa retraite définitive de ce poste en 1899. Actif dans la recherche et le développement industriels, il a été recruté vers 1899 par George Eastman pour servir de vice-président du conseil d'administration de la société britannique Kodak Limited, affiliée à Eastman Kodak. En 1904, il devint Chancelier de l'Université de Glasgow.
Sa maison était le manoir en grès rouge Netherhall, à Largs, qu'il construisit dans les années 1870 et où il décéda. Le Hunterian Museum de l'Université de Glasgow possède une exposition permanente sur les travaux de Kelvin comprenant de nombreux de ses articles originaux, instruments et autres artefacts, tels que sa pipe à fumer.
Premiers travaux et vie
Famille
Le père de William Thomson, James Thomson, était professeur de mathématiques et d'ingénierie à la Royal Belfast Academical Institution et fils d'un fermier. James Thomson a épousé Margaret Gardner en 1817 et, de leurs enfants, quatre garçons et deux filles ont survécu à l'enfance. Margaret Thomson est décédée en 1830 quand William avait six ans.
William et son frère aîné James ont été instruits à domicile par leur père tandis que les garçons plus jeunes ont été instruits par leurs sœurs aînées. James était censé bénéficier de la part majeure de l'encouragement, de l'affection et du soutien financier de son père et était préparé pour une carrière en ingénierie.
En 1832, son père a été nommé professeur de mathématiques à Glasgow et la famille y a déménagé en octobre 1833. Les enfants Thomson ont été initiés à une expérience cosmopolite plus large que l'éducation rurale de leur père, passant le milieu de 1839 à Londres et les garçons ont été instruits en français à Paris. Une grande partie de la vie de Thomson au milieu des années 1840 a été passée en Allemagne et aux Pays-Bas. L'étude des langues était une priorité élevée.
Sa sœur, Anna Thomson, était la mère de James Thomson Bottomley FRSE 1845-1926.
Jeunesse
Thomson avait des problèmes cardiaques et a failli mourir à l'âge de 9 ans. Il a fréquenté la Royal Belfast Academical Institution, où son père était professeur au département universitaire, avant de commencer ses études à l'Université de Glasgow en 1834 à l'âge de 10 ans, non pas en raison d'une quelconque précocité ; l'Université fournissait de nombreuses installations d'une école élémentaire pour les élèves talentueux, et c'était un âge de départ typique.
À l'école, Thomson montrait un vif intérêt pour les classiques ainsi qu'un intérêt naturel pour les sciences. À l'âge de 12 ans, il a remporté un prix pour la traduction des Dialogues des dieux de Lucien de Samosata du latin à l'anglais.
Au cours de l'année scolaire 1839/1840, Thomson a remporté le prix de la classe en astronomie pour son Essay on the figure of the Earth qui montrait une capacité précoce pour l'analyse mathématique et la créativité. Son tuteur en physique à cette époque était son homonyme, David Thomson.
Tout au long de sa vie, il travaillerait sur les problèmes soulevés dans cet essai comme stratégie d'adaptation lors de périodes de stress personnel. Sur la page de titre de cet essai, Thomson a écrit les lignes suivantes de l'Essay on Man d'Alexander Pope. Ces lignes ont inspiré Thomson à comprendre le monde naturel en utilisant la puissance et la méthode de la science :
Va, créature merveilleuse ! monte là où la Science te guide ;
Va mesurer la terre, peser l'air, et énonce les marées ;
Instruis les planètes dans quelles orbites courir.
Corrige le vieux Temps, et régule le soleil ;
Thomson a été intrigué par la Théorie analytique de la chaleur de Fourier et s'est engagé à étudier les mathématiques « continentales » résistées par un établissement britannique qui travaillait encore à l'ombre de Sir Isaac Newton. Sans surprise, les travaux de Fourier ont été attaqués par des mathématiciens nationaux, Philip Kelland ayant écrit un livre critique. Le livre a motivé Thomson à écrire son premier article scientifique publié sous le pseudonyme P.Q.R., défendant Fourier, et soumis au Cambridge Mathematical Journal par son père. Un deuxième article P.Q.R. a suivi presque immédiatement.
En vacances avec sa famille à Lamlash en 1841, il a écrit un troisième article P.Q.R. plus substantiel intitulé On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity. Dans cet article, il a établi des connexions remarquables entre les théories mathématiques de la conduction thermique et de l'électrostatique, une analogie que James Clerk Maxwell a finalement décrite comme l'une des idées les plus précieuses pour la formation scientifique.
Cambridge
Le père de William a pu faire une provision généreuse pour l'éducation de son fils préféré et, en 1841, l'a installé, avec des lettres de présentation étendues et un logement spacieux, au Peterhouse, Cambridge. À Cambridge, Thomson a été actif dans les sports, l'athlétisme et l'aviron, remportant les Colquhoun Sculls en 1843. Il avait également un vif intérêt pour les classiques, la musique et la littérature ; mais le véritable amour de sa vie intellectuelle était la poursuite de la science. L'étude des mathématiques, de la physique, et en particulier de l'électricité, avait captivé son imagination. En 1845, Thomson a obtenu son diplôme en tant que Second Wrangler. Il a également remporté le First Smith's Prize, qui, contrairement au tripos, est un test de recherche originale. Robert Leslie Ellis, l'un des examinateurs, aurait déclaré à un autre examinateur « Vous et moi nous sommes à peu près capables de réparer ses stylos. »
En 1845, il a donné le premier développement mathématique de l'idée de Michael Faraday selon laquelle l'induction électrique s'effectue à travers un milieu intermédiaire, ou « diélectrique », et non par une quelconque « action à distance » incompréhensible. Il a également conçu la technique mathématique des images électriques, qui devint un agent puissant dans la résolution des problèmes d'électrostatique, la science qui traite des forces entre les corps chargés électriquement au repos. C'est en partie en réponse à son encouragement que Faraday a entrepris en septembre 1845 la recherche qui a conduit à la découverte de l'effet Faraday, qui a établi que la lumière et les phénomènes magnétiques et donc électriques étaient liés.
Il a été élu membre de St. Peter's, comme on appelait souvent Peterhouse à l'époque, en juin 1845. Après avoir obtenu la bourse, il a passé quelque temps au laboratoire du célèbre Henri Victor Regnault, à Paris ; mais en 1846, il a été nommé à la chaire de philosophie naturelle à l'Université de Glasgow. À vingt-deux ans, il s'est retrouvé portant la robe d'un professeur dans l'une des plus anciennes universités du pays, et donnant des cours à la classe dont il était étudiant de première année quelques années auparavant.
Thermodynamique
Dès 1847, Thomson avait déjà acquis une réputation de scientifique précoce et nonconformiste quand il a assisté à la réunion annuelle de la British Association for the Advancement of Science à Oxford. À cette réunion, il a entendu James Prescott Joule faire une autre de ses tentatives, jusqu'à présent inefficaces, pour discréditer la théorie calorique de la chaleur et la théorie du moteur thermique construite par Sadi Carnot et Émile Clapeyron. Joule a plaidé pour la convertibilité mutuelle de la chaleur et du travail mécanique et leur équivalence mécanique.
Thomson a été intrigué mais sceptique. Bien qu'il sentait que les résultats de Joule exigeaient une explication théorique, il s'est retiré dans un engagement encore plus profond envers l'école Carnot-Clapeyron. Il a prédit que le point de fusion de la glace doit baisser avec la pression, sinon son expansion lors du gel pourrait être exploitée dans un perpetuum mobile. La confirmation expérimentale dans son laboratoire fit beaucoup pour renforcer ses convictions.
En 1848, il a étendu la théorie Carnot-Clapeyron davantage en raison de son insatisfaction face au fait que le thermomètre à gaz fournissait seulement une définition opérationnelle de la température. Il a proposé une échelle de température absolue dans laquelle une unité de chaleur descendant d'un corps A à la température T° de cette échelle, à un corps B à la température T−1°, produirait le même effet mécanique, quel que soit le nombre T. Une telle échelle serait tout à fait indépendante des propriétés physiques de toute substance spécifique. En employant une telle « cascade d'eau », Thomson a postulé qu'un point serait atteint où aucune chaleur calorique ne pourrait être transférée davantage, le point du zéro absolu sur lequel Guillaume Amontons avait spéculé en 1702. « Réflexions sur la Puissance motrice du feu », publiée par Carnot en français en 1824, l'année de la naissance de Lord Kelvin, utilisait −267 comme estimation de la température du zéro absolu. Thomson a utilisé les données publiées par Regnault pour calibrer son échelle par rapport aux mesures établies.
Dans sa publication, Thomson a écrit :
La conversion de la chaleur (ou du calorique) en effet mécanique est probablement impossible, certainement non découverte
— Mais une note de bas de page signalait ses premiers doutes sur la théorie calorique, se référant aux découvertes très remarquables de Joule. Surprenant, Thomson n'a pas envoyé une copie de son article à Joule, mais quand Joule l'a finalement lu, il a écrit à Thomson le 6 octobre, affirmant que ses études avaient démontré la conversion de la chaleur en travail mais qu'il prévoyait de nouvelles expériences. Thomson a répondu le 27 octobre, révélant qu'il prévoyait ses propres expériences et espérait une réconciliation de leurs deux points de vue.
Thomson est revenu pour critiquer la publication originale de Carnot et a lu son analyse à la Royal Society of Edinburgh en janvier 1849, toujours convaincu que la théorie était fondamentalement saine. Cependant, bien que Thomson n'ait mené aucune nouvelle expérience, au cours des deux années suivantes, il devint de plus en plus insatisfait de la théorie de Carnot et convaincu de celle de Joule. En février 1851, il s'assit pour articuler sa nouvelle réflexion. Il n'était pas sûr de la façon de formuler sa théorie et l'article a traversé plusieurs brouillons avant qu'il ne se décide à tenter de réconcilier Carnot et Joule. Pendant sa réécriture, il semble avoir envisagé des idées qui devaient par la suite donner naissance à la deuxième loi de la thermodynamique. Dans la théorie de Carnot, la chaleur perdue était absolument perdue, mais Thomson a affirmé qu'elle était « perdue pour l'homme irrévocablement ; mais non perdue dans le monde matériel ». De plus, ses convictions théologiques l'ont conduit à spéculer sur la mort thermique de l'univers.
Je crois que la tendance dans le monde matériel est que le mouvement se disperse, et que dans l'ensemble l'inverse de la concentration se poursuit graduellement – Je crois qu'aucune action physique ne peut jamais restaurer la chaleur émise par le Soleil, et que cette source n'est pas inépuisable ; aussi que les mouvements de la Terre et des autres planètes perdent la vis viva qui est convertie en chaleur ; et que bien que certaines vis viva puissent être restaurées, par exemple à la terre par la chaleur reçue du soleil, ou par d'autres moyens, que la perte ne peut être précisément compensée et je pense qu'il est probable qu'elle est sous-compensée.
La compensation nécessiterait un acte créateur ou un acte possédant un pouvoir similaire.
Dans la publication finale, Thomson s'est retiré d'un départ radical et a déclaré « toute la théorie de la puissance motrice de la chaleur est fondée sur ... deux ... propositions, dues respectivement à Joule, et à Carnot et Clausius. » Thomson a continué à énoncer une forme de la deuxième loi :
Il est impossible, par des moyens matériels inanimés, de dériver un effet mécanique de
