Абсолютный ноль лорда кельвина. Уильям томсон лорд кельвин - биография

Уильям Томсон, лорд Кельвин

(26.VI. 1824 - 17.XII. 1907)

Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, родился в Белфасте (Ирландия) в семье профессора инженерии. Когда мальчику было 7 лет, его отец получил кафедру математики в университете Глазго (Шотландия), и перебрался туда вместе с семьей. Уже в возрасте восьми лет Уильям начал посещать лекции своего отца, а в 10 лет стал студентом. Закончив обучение в Глазго, 17-летний юноша поступает в Кембриджский университет. В это время публикуется его первая научная статья, посвященная тригонометрическим рядам.
В 1845 г., после окончания университета, Томсон по совету отца едет в Париж - стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Здесь Томсон разработал способ решения электростатических задач ("метод электрических изображений"). Через год 22-летний ученый вернулся в Глазго, став профессором и заведующим кафедрой физики в университете.
В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу". Он объяснил ее название следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от физических свойств какого-либо конкретного вещества". Он отмечает, что "бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля", а именно: точке, "соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как -273 °С".
Начиная с 1851 г. Томсон публикует цикл научных статей под общим названием "О динамической теории теплоты", в которых он рассматривает первый и второй законы термодинамики. При этом он еще раз возвращается к проблеме абсолютной температуры, отмечая, что "температуры двух тел пропорциональны количеству теплоты, соответственно взятой и отданной материальной системой в двух местах, имеющих эти температуры, когда система совершает полный цикл идеальных обратимых процессов и защищена от потери или прибавления теплоты при какой-либо другой температуре".
Этот вывод позволил Томсону выразить коэффициент полезного действия тепловой машины (цикла Карно), используя температуры нагревателя и холодильника.
В этом же году, в возрасте 27 лет, Томсон стал членом Лондонского королевского общества - английской Академии наук. А через два года вместе с английским физиком Джеймсом Джоулем (1818-1889) он установил, что при адиабатическом (без притока энергии извне) прохождении газа через пористую перегородку его температура понижается. Это явление получило название "эффект Джоуля-Томсона". Примерно в то же время Томсон разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений.
Помимо термодинамики, Томсон занимался изучением электромагнитных явлений. Так, в 1853 г. он опубликовал статью "О преходящих электрических токах". Рассматривая изменение по времени электрического заряда сферического тела при соединении его тонким проводником (проволокой) с Землей, Томсон установил, что при этом возникают затухающие колебания с определенными характеристиками, зависящими от электроемкости тела, сопротивления проводника и электродинамической емкости. Впоследствии формулу, отражающую зависимость периода свободных колебаний в контуре без сопротивления от указанных величин назвали "формулой Томсона" (хотя сам он эту формулу не выводил).
Томсон оказался первым ученым, исследовавшим электрические колебания, и не случайно именно его пригласили стать главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей, предназначенных для создания устойчивой телеграфной связи между двумя континентами. За большой вклад в эту работу он в 1865 г. был возведен в дворянское достоинство, а в 1892 г. за выдающиеся научные заслуги ему был присвоен титул лорда Кельвина (по названию реки, протекающей вблизи университета, где он трудился долгие годы).
С 1890 по 1895 гг. Томсон занимал почетную должность президента Лондонского королевского общества.
Сэр Уильям Томсон умер в возрасте 83 лет в Ларгсе, недалеко от Глазго. После него осталось 25 книг, 660 научных статей и 70 изобретений.

(26.06.1824 - 17.12.1907)

Один из величайших физиков. Предки Томсона были ирландские фермеры; отец его Джемс Томсон (1776-1849), известный математик, был с 1814 г. учителем в Belfast Academical Institution, затем с 1832 г. профессор математики в Глазго; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Уильям Томсон вместе со старшим братом, Джемсом учились в колледже в Глазго, а затем в St. Peter Kolleǵe в Кембридже, в котором Томсон закончил курс наук в 1845 г.

В 1846 г. двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго. Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками.

В 1866 г. Томсон возведён в дворянское достоинство, в 1892 г. королева Виктория пожаловала ему пэрство с титулом "барон Кельвин".

Ещё студентом, Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики и в замечательном исследовании "The uniform motion of heat in homogeneous solid and i ts connection with the mathematical theory of electricity" ("The Cambridge math. Journ.", 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании "The Linear Motion of Heat" (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении земли.

В 1845 г., находясь в Париже, Томсон начинает в журнале Лиувилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.

С 1849 г. начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего "Réflexions sur la puissance motлее du feu" (1824) для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит первую формулировку второго принципа термодинамики.

В 1852 г. Томсон даёт другую формулировку его, именно учение об рассеянии энергии (dissipation of energy).

В том же году Томсон совместно с Джоулем производит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории газов идеальных к теории действительных газов.

Начатая в 1855 г. работа по термоэлектричеству ("Electrodynamic Qualities of Metals") вызвала усиленную экспериментальную работу; в работе принимали участие студенты, и это положило начало практическим работам студентов в университете Глазго - первым в Англии, а также начало лаборатории по физике в Глазго.

В пятидесятых годах Томсон заинтересовывается вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно, Томсон выводит условия существования колебательного электрического разряда (1853), вновь найденные позже Кирхгоффом (1864) и легшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Томсона с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию лота и компаса. (1872-1876).

В "Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa" (1896) приведён список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Томсону. Упомянем лишь некоторые предметы его работ: термодинамические исследования, приведшие кроме того ещё к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в 1887 г. премией от эдинбургского королевского общества); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так наз. "явления Томсона" - переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости (1862-1863), в которых Томсон расширяет теорию шаровых функций; работы по динамической геологии.

Не менее замечательна деятельность Томсона в практической физике и технике; ему принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике, как то: зеркального гальванометра, сифон-рекордера, квадрантного и абсолютного электрометров, нормального элемента компаса, лота и множества технических измерительных электрических приборов, между которыми особенно замечательны "ампер-весы", применяемые для выверки электрических приборов; между множеством патентов, взятых Томсоном, встречаются таковые и на чисто практические приспособления, как, например, на водопроводные краны.

Из книг, изданных Томсоном, наибольшею известностью пользуется "Treatise on natural philosophy" (т. 1, вместе с Тэтот, 3-е изд. в 1883 г., немец. перев. под ред. Гельмгольца), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.

Статьи Томсона перепечатаны в его "Reprints of papers on electrostatic and magnetism" (1872), "Mathematical and physical papers" (1882-1883) и "Popular lectures and adresses".

В "Encyclopedia Britannica" (1880) помещены две знаменитые статьи Томсона - "Elasticity" и "Heat".

В этом замечательном учёном соединяется редко проникновенный ум, бесстрашно берущийся за абстрактнейшие вопросы теории, с чисто практической сметкой, приводящей к решению запутаннейших вопросов практики. Томсону Англия обязана блестящим состоянием в высших школах её математической физики; влияние его на развитие этой науки легко проследимо и на деятельности учёных других наций.

Уильям Томсон, лорд Кельвин
William Thomson, 1st Baron Kelvin
Дата рождения	26 июня (1824-06-26 ) […]
Место рождения
Дата смерти	17 декабря (1907-12-17 ) […] (83 года)
Место смерти
Страна
Научная сфера	физика , механика
Место работы	Университет Глазго
Альма-матер	Университет Глазго , Кембриджский университет (колледж Питерхаус)
Научный руководитель	Уильям Хопкинс
Известные ученики	Уильям Эдвард Айртон en , Уильям Мюррей Моррисон
Награды и премии
Уильям Томсон, лорд Кельвин на Викискладе

Биография

Уильям Томсон родился 26 июня 1824 года в городе Белфасте. Предки Томсона были ирландскими фермерами; его отец Джеймс Томсон (англ.) русск. , известный математик, с 1814 года был учителем в Belfast Academical Institution, затем с 1832 года профессором математики в Глазго ; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Уильям Томсон и его старший брат Джеймс учились в колледже в Глазго, а затем в колледже св. Петра (англ.) русск. в Кембридже , в котором Уильям окончил курс наук в 1845 году.

В 1846 году двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго .

В 1856 году учёный был награждён Королевской медалью Лондонского королевского общества .

Научная деятельность

100 знаменитых ученых Скляренко Валентина Марковна

ТОМСОН УИЛЬЯМ, БАРОН КЕЛЬВИН (1824 г. – 1907 г.)

ТОМСОН УИЛЬЯМ, БАРОН КЕЛЬВИН

(1824 г. – 1907 г.)

26 июня 1824 года в ирландском городе Белфасте родился Уильям Томсон – один из величайших физиков в истории науки, человек, который за свои научные достижения был удостоен титула лорда (что, надо сказать, происходило совсем не часто). Его предки были обычными ирландскими фермерами. Правда, Джеймс Томсон, отец Уильяма, окончил университет в Глазго и был довольно известным математиком, преподавал в Королевском академическом институте Белфаста. В 1817 году он женился на Маргарет Гарднер. Их брак был многодетным (четверо мальчиков и две девочки). Старший сын, Джеймс, и Уильям воспитывались в доме отца, а младшие мальчики были отданы на воспитание старшим сестрам. Неудивительно, что Томсон-старший позаботился о достойном образовании своих сыновей. Поначалу он больше внимания уделял Джеймсу, но скоро стало ясно, что слабое здоровье старшего сына не позволит ему получить хорошее образование, и отец сосредоточился на воспитании Уильяма.

В 1832 году Томсон-старший получил должность профессора математики в Глазго, и семья покинула Белфаст. В 1834 году Уильям поступил в университет Глазго, в котором для способных детей преподавались и дисциплины средней школы. Большую роль в формировании у юноши научных интересов сыграл Джон Никол, известный шотландский астроном и популяризатор науки, работавший в университете с 1839 года. Он следил за передовыми достижениями науки и старался знакомить с ними своих учеников. Одним из таких новшеств стал метод рядов Фурье, применению которого в физических исследованиях Томсон, будучи еще студентом, посвятил несколько работ. В частности, он применил метод рядов Фурье к изучению закономерностей распространения тепла в различных средах и показал аналогию между распространением тепла и электрического тока.

В 1841 году отец устроил Уильяма в Кембридж. Учился юноша успешно, в 1845 году он получил диплом второго ранглера и выиграл премию Смита. Надо сказать, что Уильям Томсон был всесторонне развитым молодым человеком, он занимался спортом, даже входил в команду Кембриджа по академической гребле и вместе со своими товарищами одержал победу над студентами Оксфорда в знаменитой гонке, проводящейся с 1829 года. Также Томсон хорошо разбирался в музыке и литературе. Но всем этим увлечениям он предпочитал занятия наукой, и здесь его интересы также отличались разнообразием.

В 1845 году Уильям Томсон сделал одну из первых попыток математически интерпретировать представления Фарадея о близкодействии. В этом году он получил специальную стипендию, благодаря которой смог уехать в Париж, где некоторое время работал в лаборатории известного физика Анри Виктора Раньо. Во Франции Уильям в основном занимался электростатикой и опубликовал ряд работ, в которых, в частности, изложил разработанный им электрический метод получения изображения. Этот метод впоследствии стал очень полезным инструментом во многих электростатических исследованиях.

В 1846 году Томсон получил приглашение возглавить кафедру теоретической физики в Глазго. Уже тогда 23-летний ученый приобрел определенный авторитет и известность в научных кругах. Об этом свидетельствует хотя бы его участие в ежегодном заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в 1847 году, во время которого Уильям услышал доклад Джоуля о теориях теплопередачи. Эта тема его очень заинтересовала и он всерьез занялся термодинамикой. Уже в 1848 году Томсон предложил свою знаменитую термодинамическую шкалу температур (шкалу Кельвина). От других температурных шкал она отличается тем, что в качестве точки отсчета взят абсолютный ноль температуры. Таким образом, шкала эта не зависит от свойств термометрического вещества (вещества, используемого в измеряющем температуру приборе).

В 1851 году Уильям, почти одновременно с Рудольфом Клаузиусом и независимо от него, сформулировал второе начало термодинамики. В формулировке Томсона этот закон звучал так: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершаемая за счет охлаждения теплового резервуара». Отсюда английский ученый сделал далеко идущие выводы: коль скоро механическая энергия может полностью перейти в тепловую, а полное обратное превращение невозможно – в конце концов, вся энергия перейдет в тепловую, а следовательно, механические движения прекратятся. Этот вывод стал известен как «идея о тепловой смерти Вселенной». Следует сказать, что сейчас гипотеза о тепловой смерти Вселенной считается ошибочной, но в любом случае она очень способствовала развитию термодинамики.

Продолжал Уильям Томсон исследовать и электрические явления. В том же 1851 году он сделал еще одно открытие: обнаружил, что при намагничивании ферромагнетиков изменяется их электрическое сопротивление. Это явление получило название эффекта Томсона в ферромагнетиках (о термоэлектрическом эффекте Томсона мы расскажем чуть ниже). Своими работами Уильям привлекал внимание все более широкого круга коллег. 1851 год ознаменовался еще одним значительным событием – Томсона избрали членом Лондонского королевского общества.

В 1852 году ученый женился на Маргарет Крам, в которую он был влюблен с детства. Он был счастлив, но счастье, к сожалению, длилось недолго. Уже во время медового месяца здоровье Маргарет резко ухудшилось. Следующие 17 лет жизни Томсона были омрачены постоянными тревогами за здоровье супруги, и практически все свободное время ученый посвящал уходу за ней.

В 1852–1856 годах Томсон активно сотрудничал с Джоулем, хотя общались ученые в основном посредством переписки. В 1853–1854 годах они совместно провели серию опытов и обнаружили эффект изменения температуры газа при его адиабатическом расширении. Эффект Джоуля – Томсона может быть положительным (газ охлаждается) и отрицательным (газ нагревается). Помимо научного интереса это явление имеет и практическое применение: оно используется при получении очень низких температур.

Наконец, в 1855 году ученый совместил две сферы своих научных интересов и стал исследовать термоэлектрические процессы. Он разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений. Многие такие явления уже были известны, некоторые открыл сам Томсон. Одно из них получило название термоэлектрического эффекта Томсона. Заключается он в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, имеется перепад температуры, то помимо процесса нагревания, объясняемого законом Джоуля – Ленца, происходит дополнительное поглощение или выделение тепла (в зависимости от направления тока). Самое удивительное, что Томсон не экспериментально осуществил это открытие, а предсказал его исходя из своей теории. И это в то время, когда ученые еще не имели даже более-менее правильных представлений о природе электрического тока! К исследованиям термоэлектрических явлений Томсон привлекал и студентов. Благодаря этому начинанию была создана первая в университете Глазго учебно-научная лаборатория.

Очень интересовался английский ученый практическим применением достижений современной ему науки. В 1854 году он получил предложение принять участие в проекте прокладки трансатлантического телеграфного кабеля. Этой работе Томсон посвятил очень много сил и времени, с 1856 года он входил в совет директоров компании «Атлантик Телеграф», участвовал, в основном, во время каникул, в экспедициях по прокладке кабеля. Но наибольшее содействие реализации проекта Томсон оказал своими научными исследованиями. Он изучал закономерности распространения электрических импульсов по проводам, электрические токи в колебательном контуре, разрабатывал теорию электромагнитных колебаний и в частности вывел одну из основных формул электро– и радиотехники, названную его именем (формула Томсона определяет зависимость периода колебаний контура от емкости его конденсатора и индуктивности катушки).

Конечно же, во время экспедиций такой разносторонний и увлеченный человек, как Томсон, не мог не заинтересоваться вопросами мореплавания. Применение своим изобретательским и научным талантам он нашел и в этой сфере: усовершенствовал конструкции компаса и лота, провел исследования по теории волн и теории приливов и т. д. Вообще же изобретательская деятельность Уильяма Томсона заслуживает отдельного внимания. Он сконструировал и усовершенствовал целый ряд физических приборов: зеркальный гальванометр, квадратный и абсолютный электрометры, был автором и нескольких прикладных изобретений. Например, он запатентовал ондулятор с сифонной подачей чернил, один из видов телеграфного ключа и даже водопроводный кран собственной конструкции.

За участие в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля 10 ноября 1866 года Уильяму Томсону и другим руководителям проекта были присвоены титулы лордов. Эта деятельность отнимала множество сил и времени, и ученому долгое время приходилось ограничиваться только теми исследованиями, которые можно было проводить, не отвлекаясь от нее. Но эта работа очень увлекала Томсона, к тому же он страстно полюбил море. С 1869 года Уильям Томсон принимал участие в прокладке французского атлантического кабеля.

17 июня 1870 года умерла Маргарет. После этого ученый решил изменить свою жизнь, больше времени посвящать отдыху, он даже купил шхуну, на которой совершал прогулки с друзьями и коллегами. Летом 1873 года Томсон возглавлял очередную экспедицию по прокладке кабеля. Из-за повреждения кабеля экипаж был вынужден сделать 16-дневную остановку на Мадейре, где ученый подружился с семьей Чарлза Бланди, особенно с Фанни – одной из его дочерей, на которой женился летом следующего года.

Помимо научной, преподавательской и инженерной деятельности, Уильям Томсон выполнял и многие почетные обязанности. Трижды (1873–1878, 1886–1890, 1895–1907) он избирался президентом Королевского общества Эдинбурга, с 1890 по 1895 год возглавлял Лондонское королевское общество. В 1884 году совершил поездку в США, где прочел серию лекций. В 1892 году за научные заслуги ученый получил титул первого барона Кельвина (это имя было взято от названия реки, протекающей по территории университета Глазго). К сожалению, Уильям стал не только первым, но и последним бароном Кельвином – его второй брак, так же как и первый, оказался бездетным. В 1899 году Кельвин оставил кафедру в Глазго, хотя и не перестал заниматься наукой. В следующем году он выступил с лекцией о кризисе динамической теории света и тепла. Позже ученый интересовался новыми открытиями: рентгеновскими лучами, радиоактивностью и др. Умер лорд Уильям Кельвин 17 декабря 1907 года. Похоронен ученый в Вестминстерском аббатстве, рядом с могилой Исаака Ньютона.