Quando você pode medir o que está falando e expressá-lo em números, você sabe algo sobre isso, quando não pode expressá-lo em números, seu conhecimento é de um tipo meager e insatisfatório; pode ser o começo do conhecimento, mas você mal avançou, em seus pensamentos, para o estágio da ciência.
William Thomson, 1st Baron Kelvin, foi um físico matemático e engenheiro britânico nascido em Belfast. Professor de Filosofia Natural na Universidade de Glasgow por 53 anos, realizou trabalho importante na análise matemática de eletricidade e na formulação das primeira e segunda leis da termodinâmica, e fez muito para unificar a disciplina emergente da física em sua forma moderna. Ele recebeu a Copley Medal da Royal Society em 1883, foi seu Presidente de 1890–1895, e em 1892 foi o primeiro cientista britânico a ser elevado à House of Lords.
As temperaturas absolutas são expressas em unidades de kelvin em sua honra. Embora a existência de um limite inferior para a temperatura, o zero absoluto, fosse conhecida antes de seu trabalho, Kelvin é conhecido por determinar seu valor correto como aproximadamente −273,15 graus Celsius ou −459,67 graus Fahrenheit. O efeito Joule–Thomson também leva seu nome.
Ele trabalhou em estreita colaboração com o professor de matemática Hugh Blackburn em seu trabalho. Ele também teve uma carreira como engenheiro de telégrafo elétrico e inventor, o que o projetou aos olhos do público e garantiu sua riqueza, fama e honra. Por seu trabalho no projeto do telégrafo transatlântico, foi nomeado cavaleiro em 1866 pela Rainha Victoria, tornando-se Sir William Thomson. Ele tinha amplos interesses marítimos e é mais conhecido por seu trabalho na bússola do marinheiro, que anteriormente tinha confiabilidade limitada.
Ele foi elevado à nobreza em 1892 em reconhecimento de suas realizações em termodinâmica e de sua oposição ao Home Rule irlandês, tornando-se Baron Kelvin, of Largs no County of Ayr. O título refere-se ao River Kelvin, que flui perto de seu laboratório na Hillhead, home de Gilmorehill da Universidade de Glasgow. Apesar de ofertas de cargos elevados de várias universidades de renome mundial, Kelvin recusou-se a deixar Glasgow, permanecendo até sua eventual aposentadoria desse cargo em 1899. Ativo em pesquisa e desenvolvimento industrial, foi recrutado por volta de 1899 por George Eastman para servir como vice-presidente do conselho da empresa britânica Kodak Limited, afiliada à Eastman Kodak. Em 1904, tornou-se Chancellor da Universidade de Glasgow.
Sua casa era a mansão de arenito vermelho Netherhall, em Largs, que construiu na década de 1870 e onde morreu. O Hunterian Museum na Universidade de Glasgow tem uma exposição permanente sobre o trabalho de Kelvin incluindo muitos de seus artigos originais, instrumentos e outros artefatos, como seu cachimbo.
Vida e trabalho iniciais
Família
O pai de William Thomson, James Thomson, era professor de matemática e engenharia na Royal Belfast Academical Institution e filho de um agricultor. James Thomson casou-se com Margaret Gardner em 1817 e, de seus filhos, quatro meninos e duas meninas sobreviveram à infância. Margaret Thomson morreu em 1830 quando William tinha seis anos de idade.
William e seu irmão mais velho James foram tutoreados em casa por seu pai enquanto os meninos mais jovens foram tutoreados por suas irmãs mais velhas. James pretendia beneficiar-se da maior parte do encorajamento, afeto e apoio financeiro de seu pai e foi preparado para uma carreira em engenharia.
Em 1832, seu pai foi nomeado professor de matemática em Glasgow e a família se mudou para lá em outubro de 1833. As crianças Thomson foram introduzidas a uma experiência cosmopolita mais ampla do que a educação rural de seu pai, passando meados de 1839 em Londres e os meninos foram tutoreados em francês em Paris. Grande parte da vida de Thomson durante meados de 1840 foi gasta na Alemanha e nos Países Baixos. O estudo de idiomas foi dado como prioridade alta.
Sua irmã, Anna Thomson, era mãe de James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926.
Juventude
Thomson teve problemas cardíacos e quase morreu quando tinha 9 anos de idade. Frequentou a Royal Belfast Academical Institution, onde seu pai era professor no departamento da universidade, antes de começar a estudar na Universidade de Glasgow em 1834 aos 10 anos de idade, não por nenhuma precocidade; a Universidade fornecia muitas das instalações de uma escola primária para alunos capazes, e esta era uma idade típica para começar.
Na escola, Thomson mostrou um interesse aguçado nos clássicos junto com seu interesse natural nas ciências. Aos 12 anos, ganhou um prêmio por traduzir Dialogues of the Gods de Lucian of Samosata do latim para o inglês.
No ano acadêmico 1839/1840, Thomson ganhou o prêmio da classe em astronomia por seu Essay on the figure of the Earth que mostrou uma facilidade inicial para análise matemática e criatividade. Seu tutor de física naquela época era seu homônimo, David Thomson.
Durante toda sua vida, ele trabalharia nos problemas levantados no ensaio como estratégia de enfrentamento em tempos de estresse pessoal. Na página de título deste ensaio Thomson escreveu as seguintes linhas do Essay on Man de Alexander Pope. Essas linhas inspiraram Thomson a compreender o mundo natural usando o poder e o método da ciência:
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 ficou intrigado com a Théorie analytique de la chaleur de Fourier e se comprometeu a estudar a matemática "Continental" resistida por um establishment britânico ainda trabalhando à sombra de Sir Isaac Newton. Não surpreendentemente, o trabalho de Fourier havia sido atacado por matemáticos domésticos, Philip Kelland autorizando um livro crítico. O livro motivou Thomson a escrever seu primeiro artigo científico publicado sob o pseudônimo P.Q.R., defendendo Fourier, e enviado ao Cambridge Mathematical Journal por seu pai. Um segundo artigo P.Q.R. seguiu quase imediatamente.
Enquanto estava em férias com sua família em Lamlash em 1841, ele escreveu um terceiro artigo P.Q.R. mais substancial On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity. No artigo, ele fez conexões notáveis entre as teorias matemáticas de condução de calor e eletrostática, uma analogia que James Clerk Maxwell acabaria descrevendo como uma das ideias mais valiosas de formação científica.
Cambridge
O pai de William conseguiu fazer uma provisão generosa para a educação de seu filho favorito e, em 1841, o instalou, com extensas cartas de apresentação e acomodação ampla, em Peterhouse, Cambridge. Enquanto estava em Cambridge, Thomson foi ativo em esportes, atletismo e remo, vencendo o Colquhoun Sculls em 1843. Ele também tinha um interesse vivo pelos clássicos, música e literatura; mas o verdadeiro amor de sua vida intelectual era a perseguição da ciência. O estudo de matemática, física e, em particular, de eletricidade, havia cativado sua imaginação. Em 1845, Thomson se formou como Second Wrangler. Ele também ganhou o First Smith's Prize, que, diferentemente do tripos, é um teste de pesquisa original. Robert Leslie Ellis, um dos examinadores, teria declarado a outro examinador "Você e eu mal somos dignos de consertar suas penas."
Em 1845, ele deu o primeiro desenvolvimento matemático da ideia de Michael Faraday de que a indução elétrica ocorre através de um meio intermediário, ou "dielétrico", e não por alguma incompreensível "ação à distância". Ele também desenvolveu a técnica matemática de imagens elétricas, que se tornou um agente poderoso na resolução de problemas de eletrostática, a ciência que trata das forças entre corpos eletricamente carregados em repouso. Foi em parte em resposta a seu encorajamento que Faraday empreendeu a pesquisa em setembro de 1845 que levou à descoberta do efeito Faraday, que estabeleceu que a luz e os fenômenos magnéticos e, portanto, elétricos estavam relacionados.
Ele foi eleito fellow de St. Peter's como Peterhouse era frequentemente chamado na época em junho de 1845. Ao ganhar a bolsa, passou algum tempo no laboratório do celebrado Henri Victor Regnault, em Paris; mas em 1846 foi nomeado para a cadeira de filosofia natural na Universidade de Glasgow. Aos vinte e dois anos, encontrou-se usando a beca de um professor em uma das universidades mais antigas do país, e lecionando para a classe da qual havia sido aluno de primeiro ano alguns anos antes.
Termodinâmica
Por 1847, Thomson já havia ganhado uma reputação como um cientista precoce e maverick quando compareceu à reunião anual da British Association for the Advancement of Science em Oxford. Naquela reunião, ele ouviu James Prescott Joule fazendo mais uma de suas, até então, tentativas ineficazes de desacreditar a teoria calórica do calor e a teoria do motor térmico construída sobre ela por Sadi Carnot e Émile Clapeyron. Joule argumentou pela conversibilidade mútua de calor e trabalho mecânico e por sua equivalência mecânica.
Thomson estava intrigado mas cético. Embora sentisse que os resultados de Joule demandavam explicação teórica, ele recuou para um compromisso ainda mais profundo com a escola Carnot–Clapeyron. Ele predisse que o ponto de fusão do gelo deve cair com a pressão, caso contrário sua expansão no congelamento poderia ser explorada em um perpetuum mobile. A confirmação experimental em seu laboratório fez muito para fortalecer suas crenças.
Em 1848, ele estendeu a teoria Carnot–Clapeyron ainda mais através de sua insatisfação de que o termômetro de gás fornecia apenas uma definição operacional de temperatura. Ele propôs uma escala de temperatura absoluta na qual uma unidade de calor descendo de um corpo A na temperatura T° desta escala, para um corpo B na temperatura T−1°, produziria o mesmo efeito mecânico, qualquer que seja o número T. Tal escala seria completamente independente das propriedades físicas de qualquer substância específica. Ao empregar tal "cascata", Thomson postulou que um ponto seria alcançado no qual nenhum calor calórico adicional poderia ser transferido, o ponto de zero absoluto sobre o qual Guillaume Amontons havia especulado em 1702. "Reflections on the Motive Power of Heat", publicado por Carnot em francês em 1824, o ano do nascimento de Lord Kelvin, usou −267 como uma estimativa da temperatura de zero absoluto. Thomson usou dados publicados por Regnault para calibrar sua escala contra medições estabelecidas.
Em sua publicação, Thomson escreveu:
A conversão de calor (ou calórico) em efeito mecânico é provavelmente impossível, certamente não descoberta
—Mas uma nota de rodapé sinalizou suas primeiras dúvidas sobre a teoria calórica, referindo-se às descobertas muito notáveis de Joule. Surpreendentemente, Thomson não enviou uma cópia de seu artigo para Joule, mas quando Joule finalmente o leu, escreveu para Thomson em 6 de outubro, afirmando que seus estudos haviam demonstrado conversão de calor em trabalho, mas que estava planejando experimentos adicionais. Thomson respondeu em 27 de outubro, revelando que estava planejando seus próprios experimentos e esperando uma reconciliação de suas duas visões.
Thomson voltou para criticar a publicação original de Carnot e leu sua análise para a Royal Society of Edinburgh em janeiro de 1849, ainda convencido de que a teoria era fundamentalmente sólida. No entanto, embora Thomson não tivesse realizado novos experimentos, durante os próximos dois anos ele ficou cada vez mais insatisfeito com a teoria de Carnot e convencido da de Joule. Em fevereiro de 1851, ele se sentou para articular seu novo pensamento. Ele não tinha certeza de como estruturar sua teoria e o artigo passou por vários rascunhos antes de ele se contentar com uma tentativa de reconciliar Carnot e Joule. Durante sua reescrita, ele parece ter considerado ideias que posteriormente dariam origem à segunda lei da termodinâmica. Na teoria de Carnot, o calor perdido era absolutamente perdido, mas Thomson argumentou que era "perdido para o homem irrecuperavelmente; mas não perdido no mundo material". Além disso, suas crenças teológicas levaram a especulações sobre a morte térmica do universo.
Acredito que a tendência no mundo material é para o movimento se tornar difuso, e que como um todo o reverso da concentração está gradualmente ocorrendo – Acredito que nenhuma ação física jamais pode restaurar o calor emitido do Sol, e que esta fonte não é inesgotável; também que os movimentos da Terra e de outros planetas estão perdendo vis viva que é convertida em calor; e que embora algum vis viva possa ser restaurado, por exemplo, à terra pelo calor recebido do sol, ou por outros meios, que a perda não pode ser precisamente compensada e acho provável que seja sub-compensada.
A compensação exigiria um ato criativo ou um ato possuindo poder similar.
Na publicação final, Thomson recuou de um afastamento radical e declarou "toda a teoria do poder motriz do calor é fundada em ... duas ... proposições, devidas respectivamente a Joule, e a Carnot e Clausius." Thomson prosseguiu para afirmar uma forma da segunda lei:
É impossível, por meio de agência material inanimada, derivar efeito mecânico de
