Quando puoi misurare ciò di cui stai parlando ed esprimerlo in numeri, sai qualcosa al riguardo, quando non puoi esprimerlo in numeri, la tua conoscenza è di un genere scarso e insoddisfacente; potrebbe essere l'inizio della conoscenza, ma difficilmente, nei tuoi pensieri, sei avanzato allo stadio della scienza.
William Thomson, 1º Baron Kelvin, era un fisico matematico e ingegnere britannico nato a Belfast. Professore di Filosofia Naturale all'Università di Glasgow per 53 anni, condusse un lavoro importante nell'analisi matematica dell'elettricità e nella formulazione delle prime e seconde leggi della termodinamica, e fece molto per unificare la disciplina emergente della fisica nella sua forma moderna. Ricevette la Copley Medal della Royal Society nel 1883, ne fu Presidente dal 1890–1895, e nel 1892 fu il primo scienziato britannico ad essere elevato alla House of Lords.
Le temperature assolute sono espresse in unità di kelvin in suo onore. Mentre l'esistenza di un limite inferiore della temperatura, lo zero assoluto, era nota prima del suo lavoro, Kelvin è noto per aver determinato il suo valore corretto di circa −273,15 gradi Celsius o −459,67 gradi Fahrenheit. L'effetto Joule–Thomson è anch'esso nominato in suo onore.
Ha lavorato a stretto contatto con il professore di matematica Hugh Blackburn nel suo lavoro. Ha anche avuto una carriera come ingegnere e inventore di telegrafì elettrici, che lo ha proposto agli occhi del pubblico e ha assicurato la sua ricchezza, fama e onore. Per il suo lavoro sul progetto del telegrafo transatlantico fu nominato cavaliere nel 1866 dalla Regina Vittoria, diventando Sir William Thomson. Aveva ampi interessi marittimi ed era più noto per il suo lavoro sulla bussola del navigatore, che precedentemente aveva un'affidabilità limitata.
Fu elevato a nobiltà nel 1892 in riconoscimento dei suoi risultati in termodinamica e della sua opposizione all'Home Rule irlandese, diventando Baron Kelvin, of Largs nella Contea di Ayr. Il titolo si riferisce al River Kelvin, che scorre vicino al suo laboratorio presso la casa Gilmorehill dell'Università di Glasgow a Hillhead. Nonostante offerte di posti elevati da diverse università di fama mondiale, Kelvin ha rifiutato di lasciare Glasgow, rimanendo fino al suo eventuale pensionamento da quella posizione nel 1899. Attivo nella ricerca e sviluppo industriale, è stato reclutato intorno al 1899 da George Eastman per servire come vicepresidente del consiglio della società britannica Kodak Limited, affiliata a Eastman Kodak. Nel 1904 divenne Cancelliere dell'Università di Glasgow.
La sua casa era il palazzo in arenaria rossa Netherhall, a Largs, che costruì negli anni 1870 e dove morì. L'Hunterian Museum presso l'Università di Glasgow ha una mostra permanente sul lavoro di Kelvin che include molti dei suoi articoli originali, strumenti e altri manufatti, come la sua pipa da fumo.
Primi anni e lavoro
Famiglia
Il padre di William Thomson, James Thomson, era un insegnante di matematica e ingegneria presso la Royal Belfast Academical Institution ed era figlio di un agricoltore. James Thomson sposò Margaret Gardner nel 1817 e, tra i loro figli, quattro ragazzi e due ragazze sopravvissero all'infanzia. Margaret Thomson morì nel 1830 quando William aveva sei anni.
William e suo fratello maggiore James furono istruiti a casa dal loro padre mentre i ragazzi più giovani furono istruiti dalle loro sorelle maggiori. James era destinato a beneficiare della maggior parte dell'incoraggiamento, dell'affetto e del supporto finanziario di suo padre ed era preparato per una carriera nell'ingegneria.
Nel 1832, suo padre fu nominato professore di matematica a Glasgow e la famiglia si trasferì lì nell'ottobre 1833. I bambini Thomson furono introdotti a un'esperienza cosmopolita più ampia rispetto all'infanzia rurale di loro padre, trascorrendo la metà del 1839 a Londra e i ragazzi furono istruiti in francese a Parigi. Gran parte della vita di Thomson durante la metà degli anni 1840 fu trascorsa in Germania e nei Paesi Bassi. Lo studio linguistico ebbe un'alta priorità.
Sua sorella, Anna Thomson, era la madre di James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926.
Gioventù
Thomson aveva problemi cardiaci e quasi morì quando aveva 9 anni. Ha frequentato la Royal Belfast Academical Institution, dove suo padre era un professore nel dipartimento universitario, prima di iniziare gli studi presso l'Università di Glasgow nel 1834 all'età di 10 anni, non per alcuna precocità; l'Università forniva molti dei servizi di una scuola elementare per studenti capaci, e questa era un'età di inizio tipica.
A scuola, Thomson ha mostrato un vivo interesse per i classici insieme al suo naturale interesse per le scienze. All'età di 12 anni ha vinto un premio per la traduzione di Dialoghi degli dei di Luciano di Samosata dal latino all'inglese.
Nell'anno accademico 1839/1840, Thomson ha vinto il premio della classe in astronomia per il suo Saggio sulla figura della Terra che mostrava una precoce facilità nell'analisi matematica e nella creatività. Il suo insegnante di fisica in questo momento era il suo omonimo, David Thomson.
Per tutta la vita, avrebbe affrontato i problemi sollevati nel saggio come strategia di coping durante i periodi di stress personale. Nel frontespizio di questo saggio Thomson scrisse le seguenti righe dall'Epistle on Man di Alexander Pope. Queste righe hanno ispirato Thomson a comprendere il mondo naturale usando il potere e il metodo della scienza:
Va, creatura meravigliosa! sali dove la Scienza guida;
Va misura la terra, pesa l'aria, e dichiara le maree;
Istruisci i pianeti in quali orbite correre.
Correggi il Tempo antico, e regola il sole;
Thomson rimase affascinato dalla Théorie analytique de la chaleur di Fourier e si impegnò a studiare la matematica "continentale" rifiutata da uno stabilimento britannico ancora all'ombra di Sir Isaac Newton. Non sorprendentemente, il lavoro di Fourier era stato attaccato dai matematici domestici, con Philip Kelland che ha scritto un libro critico. Il libro ha motivato Thomson a scrivere il suo primo articolo scientifico pubblicato sotto lo pseudonimo P.Q.R., difendendo Fourier, e sottomesso al Cambridge Mathematical Journal da suo padre. Un secondo articolo P.Q.R. è seguito quasi immediatamente.
Durante una vacanza con la sua famiglia a Lamlash nel 1841, ha scritto un terzo, più sostanziale articolo P.Q.R. Sul movimento uniforme del calore nei solidi omogenei, e la sua connessione con la teoria matematica dell'elettricità. Nel documento ha fatto notevoli connessioni tra le teorie matematiche della conduzione del calore e dell'elettrostatica, un'analogia che James Clerk Maxwell doveva infine descrivere come una delle idee più preziose che formano la scienza.
Cambridge
Il padre di William è stato in grado di fare una disposizione generosa per l'educazione del suo figlio preferito e, nel 1841, lo ha installato, con ampie lettere di introduzione e sistemazione generosa, a Peterhouse, Cambridge. A Cambridge, Thomson è stato attivo nello sport, nell'atletica e nel canottaggio, vincendo i Colquhoun Sculls nel 1843. Ha anche dimostrato un vivo interesse per i classici, la musica e la letteratura; ma il vero amore della sua vita intellettuale era la ricerca della scienza. Lo studio della matematica, della fisica e in particolare dell'elettricità, aveva catturato la sua immaginazione. Nel 1845 Thomson si è laureato come Second Wrangler. Ha anche vinto il First Smith's Prize, che, a differenza del tripos, è un test della ricerca originale. Robert Leslie Ellis, uno degli esaminatori, avrebbe dichiarato a un altro esaminatore "Tu e io siamo appena in grado di aggiustare le sue penne."
Nel 1845, ha fornito il primo sviluppo matematico dell'idea di Michael Faraday che l'induzione elettrica avviene attraverso un mezzo intervenienti, o "dielettrico", e non per qualche incomprensibile "azione a distanza". Ha anche ideato la tecnica matematica delle immagini elettriche, che è diventata un agente potente nella risoluzione dei problemi di elettrostatica, la scienza che si occupa delle forze tra corpi caricati elettricamente a riposo. È stato in parte in risposta al suo incoraggiamento che Faraday ha intrapreso la ricerca nel settembre 1845 che ha portato alla scoperta dell'effetto Faraday, che ha stabilito che la luce e i fenomeni magnetici e quindi elettrici erano correlati.
Fu eletto fellow di St. Peter's poiché Peterhouse era spesso chiamato a quel tempo nel giugno 1845. Dopo aver ottenuto la borsa di studio, ha trascorso qualche tempo nel laboratorio del celebre Henri Victor Regnault, a Parigi; ma nel 1846 fu nominato alla cattedra di filosofia naturale dell'Università di Glasgow. A ventidué anni si trovò indossare la veste di un professore in una delle università più antiche del paese, e tenere lezioni alla classe di cui era uno studente di primo anno pochi anni prima.
Termodinamica
Nel 1847, Thomson aveva già acquisito una reputazione come scienziato giovane prodigio e anticonformista quando ha partecipato all'incontro annuale della British Association for the Advancement of Science a Oxford. In quella riunione, ha ascoltato James Prescott Joule fare un altro dei suoi, finora, inefficaci tentativi di screditare la teoria calorca del calore e la teoria del motore termico costruita su di essa da Sadi Carnot ed Émile Clapeyron. Joule ha sostenuto la convertibilità reciproca del calore e del lavoro meccanico e della loro equivalenza meccanica.
Thomson era intrigato ma scettico. Anche se sentiva che i risultati di Joule richiedevano una spiegazione teorica, si ritirò in un impegno ancora più profondo per la scuola Carnot–Clapeyron. Ha predetto che il punto di fusione del ghiaccio deve diminuire con la pressione, altrimenti la sua espansione durante il congelamento potrebbe essere sfruttata in un perpetuum mobile. La conferma sperimentale nel suo laboratorio ha fatto molto per rafforzare le sue convinzioni.
Nel 1848, ha esteso ulteriormente la teoria Carnot–Clapeyron attraverso la sua insoddisfazione per il fatto che il termometro a gas forniva solo una definizione operazionale della temperatura. Ha proposto una scala di temperatura assoluta in cui un'unità di calore che scende da un corpo A alla temperatura T° di questa scala, a un corpo B alla temperatura T−1°, produrrebbe lo stesso effetto meccanico, qualunque sia il numero T. Una tale scala sarebbe completamente indipendente dalle proprietà fisiche di qualsiasi sostanza specifica. Impiegando una tale "cascata", Thomson ha postulato che si raggiungerebbe un punto oltre il quale non potrebbe essere trasferito altro calore calorca, il punto dello zero assoluto su cui Guillaume Amontons aveva speculato nel 1702. "Riflessioni sulla Potenza Motrice del Calore", pubblicato da Carnot in francese nel 1824, l'anno della nascita del Lord Kelvin, ha utilizzato −267 come stima della temperatura dello zero assoluto. Thomson ha utilizzato i dati pubblicati da Regnault per calibrare la sua scala rispetto alle misurazioni stabilite.
Nella sua pubblicazione, Thomson ha scritto:
La conversione del calore (o calorca) in effetto meccanico è probabilmente impossibile, certamente non scoperta
—Ma una nota ha segnalato i suoi primi dubbi sulla teoria calorca, riferendosi alle scoperte molto notevoli di Joule. Sorprendentemente, Thomson non ha inviato a Joule una copia del suo articolo, ma quando Joule lo ha letto scrisse a Thomson il 6 ottobre, affermando che i suoi studi avevano dimostrato la conversione del calore in lavoro ma che stava pianificando ulteriori esperimenti. Thomson ha risposto il 27 ottobre, rivelando che stava pianificando i suoi stessi esperimenti e sperando in una riconciliazione dei loro due punti di vista.
Thomson è tornato a criticare la pubblicazione originale di Carnot e ha letto la sua analisi alla Royal Society of Edinburgh nel gennaio 1849, ancora convinto che la teoria fosse fondamentalmente solida. Tuttavia, anche se Thomson non ha condotto nuovi esperimenti, nei due anni successivi divenne sempre più insoddisfatto della teoria di Carnot e convinto di quella di Joule. Nel febbraio 1851 si sedette per articolare il suo nuovo pensiero. Non era sicuro di come inquadrare la sua teoria e l'articolo ha attraversato diversi bozze prima che si sistemasse su un tentativo di riconciliare Carnot e Joule. Durante la riscrittura, sembra aver considerato idee che successivamente avrebbero dato origine alla seconda legge della termodinamica. Nella teoria di Carnot, il calore perduto era assolutamente perso ma Thomson sosteneva che era "perso per l'uomo irrecuperabilmente; ma non perso nel mondo materiale". Inoltre, le sue convinzioni teologiche lo hanno portato a speculare sulla morte termica dell'universo.
Credo che la tendenza nel mondo materiale sia che il movimento diventi diffuso, e che nel complesso il contrario della concentrazione stia gradualmente accadendo – Credo che nessuna azione fisica possa mai ripristinare il calore emesso dal Sole, e che questa fonte non è inesauribile; inoltre che i movimenti della Terra e di altri pianeti stanno perdendo vis viva che viene convertita in calore; e anche se un po' di vis viva potrebbe essere ripristinato ad esempio alla terra dal calore ricevuto dal sole, o per altri mezzi, la perdita non può essere precisamente compensata e penso che sia probabile che sia sottodimensionata.
La compensazione richiederebbe un atto creativo o un atto possedendo un potere simile.
Nella pubblicazione finale, Thomson si è ritirato da una partenza radicale e ha dichiarato "l'intera teoria della potenza motrice del calore è fondata su ... due ... proposizioni, dovute rispettivamente a Joule, e a Carnot e Clausius." Thomson è andato avanti per enunciare una forma della seconda legge:
È impossibile, per mezzo di un agente materiale inanimato, ricavare un effetto meccanico
