Kelvin, Lord (William Thomson)

Kelvin, Lord (William Thomson) (1824–1907), britischer Wissenschaftler.

William Thomson, das vierte Kind von James und Margaret Thomson, wurde in Belfast geboren. Sein mathematischer Vater unterrichtete an der Belfast Academical Institution, die für ihre politische und religiöse Radikalität bekannt ist. Seine Mutter, die aus einer kommerziellen Familie in Glasgow stammte, starb, als William sechs Jahre alt war. 1832 wurde seinem Vater der Lehrstuhl für Mathematik an der Universität von Glasgow angeboten, und dort übte er weiterhin einen tiefgreifenden Einfluss auf die Erziehung seiner Kinder aus. William genoss einen breiten philosophischen Lehrplan in Glasgow, verließ ihn jedoch ohne Abschluss, um als Student nach Peterhouse in Cambridge zu kommen. Nach mehreren Jahren intensiven Mathematikstudiums wurde er 1845 Zweiter in den "Mathematics Tripos", den wettbewerbsintensiven Prüfungen, bei denen die Studenten des letzten Studienjahres in der Reihenfolge ihrer mathematischen Leistungen eingestuft wurden. Er erweiterte seine experimentellen Fähigkeiten in Paris und wurde 1846 zum Professor für Naturphilosophie an der Universität Glasgow gewählt, von dem er sich 1899 zurückzog.

In einem wissenschaftlichen Artikel, der mit siebzehn Jahren verfasst wurde, verwendete Thomson die mathematische Behandlung des Wärmeflusses durch Jean-Baptiste-Joseph Fourier (1768–1830), um die Fernwirkungskräfte in der Elektrostatik durch Modelle mit kontinuierlichem Fluss zu ersetzen. Sein radikaler Ansatz inspirierte später James Clerk Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes, die sich in der gefeierten Theorie niederschlug Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus (1873). Thomson selbst erweiterte Fouriers Techniken zur Analyse elektrischer Signale, die über Ferntelegrafendrähte übertragen wurden. Die Verzögerung solcher Signale hatte bei Telegraphenprojektoren Bedenken ausgelöst, insbesondere in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit von Unterseekabeln. Die Analyse von Thomson ermöglichte es ihm, die optimalen Dimensionen für projizierte transatlantische und imperiale Telegraphen zu ermitteln. Er konstruierte auch äußerst empfindliche Messinstrumente, insbesondere ein "Marine Mirror Galvanometer", für den Einsatz in der Telegrafietechnik. Für diese Verdienste um das Reich wurde er 1866 von Königin Victoria zum Ritter geschlagen, nachdem der erste erfolgreiche Atlantik-Telegraph fertiggestellt worden war.

Nur zwei Jahre nach seiner Professur in Glasgow formulierte Thomson eine "absolute" Temperaturskala (später zu seinen Ehren Kelvin-Skala genannt), die sich von herkömmlichen Skalen dadurch unterschied, dass sie von bestimmten Substanzen wie Quecksilber unabhängig war. Es hing von Thomsons jüngstem Engagement für Sadi Carnots Theorie der Antriebskraft der Wärme ab, bei der der "Abfall" der Wärme zwischen einer hohen Temperatur (dem Kessel) und einer niedrigen Temperatur (dem Kondensator) erfolgt. fuhr eine Wärmekraftmaschine, gerade als der Wasserfall ein Wasserrad trieb. Thomsons Erkenntnis bestand darin, den Temperaturunterschied - den "Abfall" - eher mit der geleisteten Arbeit als mit einer bestimmten Arbeitssubstanz zu korrelieren.

Diese Forschungen fanden in einem größeren Kontext statt, der im Laufe des nächsten Jahrzehnts die neuen Wissenschaften der Thermodynamik und Energie hervorbrachte. In den 1840er Jahren hatte der Manchester-Experimentator James Joule Laboruntersuchungen durchgeführt, um den quantitativen Zusammenhang zwischen geleisteter Arbeit und erzeugter Wärme zu bestimmen. Thomson akzeptierte zunächst Joules Erkenntnisse, dass Arbeit nach einem exakten Äquivalent wie bei Reibung in Wärme umgewandelt werden könnte. Der Theorie von Carnot verpflichtet, konnte er jedoch das Gegenteil nicht akzeptieren, dass Arbeit, sobald sie in Wärme umgewandelt wurde, einfach als nützliche Arbeit wiederhergestellt werden konnte. Mit Hilfe ähnlicher Untersuchungen, die kürzlich vom schottischen Ingenieur William John Macquorn Rankine und dem deutschen Physiker Rudolf Clausius durchgeführt wurden, gelang Thomson zwischen 1850 und 1851 eine Versöhnung von Joule und Carnot. Für die Erzeugung von Arbeit oder Antriebskraft benötigte ein "thermodynamischer Motor" (Thomsons Name für eine Wärmekraftmaschine) zwei Prinzipien: die Umwandlung einer exakten Wärmemenge in die geleistete Arbeit und die Übertragung einer bestimmten Wärmemenge von hohe bis niedrige Temperatur. Diese Prinzipien bildeten die Grundlage für die beiden Gesetze der Thermodynamik. Die neue Wissenschaft bot den Schiffsingenieuren des Imperiums - viele davon in Glasgow - einen Anreiz, Dampfmaschinen mit viel höheren Drücken zu konstruieren, die gemäß den thermodynamischen Gesetzen eine höhere Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs bieten würden.

Thomson und Rankine führten dann die Begriffe ein präsentieren (später kinetisch) und Potenzial Energie. Die Gesetze der Energieeinsparung und -ableitung wurden zur Grundlage einer neuen "Wissenschaft der Energie", und die Physikdisziplin wurde schnell neu definiert als das Studium der Energie und ihrer Transformationen. Thomson und sein Kollege an der Universität Edinburgh, Peter Guthrie Tait, initiierten ein umfangreiches Projekt, um eine Energieperspektive in allen Bereichen der Physik zu entwickeln, die in ihren Bereichen zum Ausdruck kommen würde Abhandlung über Naturphilosophie (1867).

Mit diesen Energiegesetzen gelangte Thomson zu einem Alter für Erde und Sonne (20–100 Millionen Jahre). Er stellte ausdrücklich die geologischen Zeitskalen und Annahmen in Frage, auf denen Charles Darwin seine kontroverse Evolutionstheorie durch natürliche Selektion aufgebaut hatte (1859). Der berühmte Evolutionist gab später zu, dass Thomson von den vielen Einwänden gegen seine Theorie am schwierigsten zu kontern war.

Thomson entwickelte sein privates Labor zum ersten physischen Universitätslabor in Großbritannien. Die Arbeit ging über telegrafische Tests und Erfindungen hinaus und umfasste die Patentierung und Herstellung einer Vielzahl von wissenschaftlichen, industriellen und Navigationsinstrumenten. Der erworbene Reichtum ermöglichte es ihm, 1870 eine 126 Tonnen schwere Schoneryacht zu kaufen. Lalla Rookh, Das diente als schwimmendes Labor, insbesondere zum Testen des Kompasses und der mechanischen Schallmaschine seines Seefahrers. Als er 1892 zum Adel erhoben wurde, wurde er der erste britische Wissenschaftler, der so geehrt wurde. Lord Kelvin nahm den Titel Baron Kelvin vom Nebenfluss des Flusses Clyde, der in der Nähe der Universität floss, und veröffentlichte weiterhin wissenschaftliche Arbeiten, bis er eine letzte Ruhestätte in der Westminster Abbey unweit des Grabes von Sir Isaac Newton fand.