Лорд Кельвион и его 26 июня

26 июня 1824 года родился Уильям Томсон (лорд Кельвин) – один  из основоположников термодинамики, член Палаты лордов, выдающийся физик и математик. 

При поиске информации о Лорде Кельвине вы легко найдете множество источников, и все они будут говорить о различных направлениях его деятельности и жизни, это и научные открытия и ученые степени, это и жизнь планеты Земля, лошади, электрика и компьютеры, наука, образование и многое другое. В нашем случае это открытие обсолютного нуля и день всемирного холода.

Но для картины жизни мы собрали максимально полную информацию о легендарном человеке. Читайте узнавайте новое и интересное. Пусть открытия одного станут положительным стимулом для многих.

Единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Обозначается К. До 1968 года именовалась градус Кельвина (^оК), названа в честь У. Томсона (Кельвина). Единица Международной практической температурной шкалы; одна из основных единиц СИ. 1К = 1^оС.

Уильям Томсон родился в Белфасте в семье преподавателя математики. Когда Уильяму было восемь лет, семья переехала в Глазго, который стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Одарённый мальчик уже в десятилетнем возрасте стал студентом университета Глазго. Окончив университет Глазго, Томсон поступил в Кембриджский университет, после окончания которого по совету отца отправился в Париж для стажировки в лаборатории известного французского физика-экспериментатора А. Реньо. Вскоре юный студент опубликовал свою первую работу по теории теплопроводности. Двадцати двух лет Томсон становится профессором в Глазго и занимает кафедру до 1899 г., в течение пятидесяти трех лет.

У. Томсон обладал большим педагогическим талантом и прекрасно сочетал теоретическое обучение с практическим. Его лекции по физике сопровождались демонстрациями, к проведению которых Томсон широко привлекал студентов, что стимулировало интерес слушателей.

В университете Глазго У. Томсон создал физическую лабораторию, в которой было сделано много оригинальных научных исследований, и которая сыграла большую роль в развитии физической науки. Вначале лаборатория ютилась в бывших лекционных комнатах, старом заброшенном винном подвале и части старого профессорского дома. В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были предусмотрены просторные помещения для лаборатории. Кафедра и дом Томсона первыми в Британии осветились электричеством. Между университетом и мастерскими Уайта, в которых изготавливались физические приборы, действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу ставшую филиалом лаборатории.

В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. Студентом Томсон опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики. Стажируясь в Париже, разработал метод решения задач электростатики, получивший название метода «зеркальных изображений» (1846). Познакомившись с теоремой Карно, высказал идею абсолютной термодинамической шкалы (1848).

В 1851 г. У. Томсон сформулировал (независимо от Р. Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».

Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

Второе положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе её в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части её движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счёт заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».

Эта положение Томсон возводит к С. Карно и Р. Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода.

Кроме работ по термодинамике, Томсон заложил основы теории электромагнитных колебаний и в 1853 г. вывел формулу зависимости периода собственных колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона). В 1856 г. открыл третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона (первые два – возникновение термо-ЭДС и выделение теплоты Пельтье), состоявший в выделении т.н. «теплоты Томсона» при протекании тока по проводнику при наличии градиента температуры. Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 г. он установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости.

Томсон внёс большой вклад в развитие практических применений разных разделов науки. Он был главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей. Сконструировал целый ряд точных электрометрических приборов: «кабельный» гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометры, сифон-отметчик для приема телеграфных сигналов. Предложил использовать многожильные провода из медной проволоки.

Работы по прокладке трансатлантического кабеля пробудили в Томсоне интерес к навигации. Учёный создал усовершенствованный морской компас с компенсацией магнетизма железного корпуса судна, изобрёл эхолот непрерывного действия, мареограф (прибор для регистрации уровня воды в море или реке). Известны исследования Томсона по теплопроводности, работы по теории приливов, распространению волн по поверхности, по теории вихревого движения.

В 1892 г. У. Томсону за его большие научные заслуги был присвоен титул барона Кельвина (по имени речки Кельвин, протекающей вблизи университета в г. Глазго). Томсон написал огромное количество работ по экспериментальной и теоретической физике. Пятидесятилетний юбилей его научной деятельности в 1896 г. отмечали физики всего мира. В чествовании Томсона участвовали представители разных стран, в том числе русский физик Н. А. Умов; в 1896 г. Томсон был избран почётным членом Санкт-Петербургской Академии наук. В честь Уильяма Томсона названа единица измерения абсолютной температуры – кельвин.

Уильям Томсон впервые сформулировал второе начало термодинамики (1851 год) и невозможность создания вечного двигателя второго рода. Формулировка, сделанная ученым независимо от Р.Клазиуса, звучала так: «в природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара». А тремя годами ранее ученый ввел понятие абсолютной температуры и абсолютную шкалу температуры, названную впоследствии его именем (шкала Кельвина). В честь лорда Кельвина названа одна из семи основных единиц СИ — единица термодинамической температуры Кельвин.

В числе самых значительных достижений Томсона также значится формула его имени, которая связывает период собственных колебаний контура с его емкостью и индуктивностью. Известен физик и работами по гидродинамике, теории волн, термоэлектричеству, исследованиям по теории упругости. 

Лорд Кельвин оставил свой след в науке и как талантливый преподаватель. Его лекции по молекулярной динамике и волновой теории света (и многие другие) оказали огромное влияние на развитие физики рубежа XIX и XX веков.

Но и этим заслуги британского ученого не ограничиваются. Уильям Томсон прославился еще и как талантливый изобретатель. Он изобрел или улучшил множество физических приборов. Именно ему принадлежит патент на изобретение водопроводного крана. Лорд Кельвин был главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей, а также сконструировал ряд навигационных и электрометрических приборов.

Уильям Томсон был членом многих научных сообществ и организаций, включая Академию наук Санкт-Петербурга (1896 г.). Более полувека ученый трудился в университете Глазго (Шотландия). В музее этого университета есть постоянная экспозиция, в которой хранятся оригинальные труды лорда Кельвина и вещи, которых касалась рука физика. 

Уильям Томсон родился в столице Северной Ирландии — Белфасте 26 июня 1824 г. Его отец, шотландец, после смерти жены в 1830 г. перебрался с двумя сыновьями в Глазго, где занял должность профессора математики в местном университете. Дети получили прекрасное домашнее образование. В возрасте 8 лет Уильям начал посещать лекции отца, а в 10 лет был зачислен слушателем университета.

Будучи состоятельным человеком, отец много путешествовал с сыновьями, к 12 годам Уильям владел четырьмя или пятью языками.

Достигнутые результаты не связаны с какими-либо ограничениями в личной жизни, затворничеством и т. д. Томсон, в жизнь, был весел, общителен, много путешествовал и старался не ограничивать себя ни в чем. Успех сопутствовал ему.

Свое искусство экспериментатора Томсон за несколько месяцев отшлифовал в лаборатории известного французского физика, члена Парижской академии наук Анри Виктора Реньо (1810—1878), занимавшего тогда должность профессора Коллеж де Франс. Томсон очень высоко ценил полученные навыки.

Учеба закончилась, и тут же освободилась должность заведующего кафедрой физики университета в Глазго, на которую в 1846 г. избрали 22-летнего Уильяма Томсона. Профессорскую работу ученый закончил в почтенном возрасте — 1 октября 1899 г., но научной работой занимался до конца жизни. Университет отметил заслуги Томсона, избрав его в 1904 г. президентом.

Научные интересы Томсона весьма разнообразны. Много времени он уделял решению инженерных задач. Достаточно отметить, что ученый занимался вопросами математики, термодинамики, электротехники, связи, газо- и гидродинамики, астро- и геофизики. Всего им написано более 650 трактатов, мемуаров и т. д.

Труды по электростатике, электричеству и магнетизму стали выходить с 1845 г. С началом преподавательской деятельности Томсону пришлось заняться постановкой демонстрационных экспериментов, а с приобретением опыта он стал проводить экспериментальные проверки собственных теоретических изысканий. Результаты теоретических и экспериментальных работ часто обсуждались с такими крупными учеными, как М. Фарадей и Д. Максвелл.

Первых существенных практических результатов Томсон достиг в процессе участия в строительстве трансатлантической телеграфной линии.

В течение нескольких лет после изобретения телеграфа Морзе (1844 г.) страны Европы и Северной Америки покрылись густой сетью телеграфных линий, а вот рынки сбыта и источники сырья на других континентах оказались вне досягаемости средств связи.

Непорядок! Появился план строительства телеграфной линии между США и Западной Европой через Аляску, Берингов пролив и Сибирь. Предприятие лопнуло в самом начале: заработала трансатлантическая телеграфная линия, и в этом событии во многом "виноват" У. Томсон.

Первая попытка прокладки трансатлантического кабеля в 1857 г. закончилась неудачей — оборвался кабель. Томсон сразу начал исследовать его параметры, дал рекомендации по улучшению конструкции.

Несколько ранее (1856) он доказал, что скорость распространения сигнала в кабеле обратно пропорциональна его сопротивлению и электрической емкости. В 1858 г. для регистрации слабых телеграфных сигналов ученый изобретает зеркальный гальванометр, на который девятью годами позже получает патент.

Томсон сам принимает участие в прокладке второго трансатлантического кабеля, находясь на "Грейт Истерн" — крупнейшем судне того времени (1865). Позже им было изобретено устройство для автоматической записи телеграмм, получившее название сифон-рекордер.

Впервые Томсон начал заниматься вопросами электросвязи в 1856 г., войдя в состав научных сотрудников "Атлантической телеграфной компании", и продолжал заниматься вопросами телеграфии, а затем и телефонии всю жизнь.

Кабельный телеграф дал толчок научным электрическим измерениям (определения сопротивления меди и изоляции, а также емкости кабелей).

Нельзя не вспомнить формулу Томсона, полученную в 1853 г. для расчета резонансной частоты колебательного контура.

Его внимание также привлекла передача и распределение электроэнергии. В 1879 году, давая показания об электрической передаче перед парламентским комитетом, он показал, что можно передавать с экономией 21 000 л.с. под напряжением 80 000 вольт на расстояние 300 миль. Два года спустя он представил Британской ассоциации доклад «Экономика металлических проводников электричества».

В 1890 году он был назначен председателем Международной Ниагарской комиссии, которая изучила, отчиталась и присудила призы планам по выработке и передаче электроэнергии от Ниагарского водопада.

Уильям Томсон связан с меньшим предприятием того же характера, находящимся недалеко от его дома, - выработкой электроэнергии у водопада Фойе и ее использованием для производства алюминия Британской алюминиевой компанией.

Можно с уверенностью сказать, что никто не изобрел больше него различных электрических измерительных приборов для стандартного, лабораторного или коммерческого использования.

Труды Томсона всегда находили быстрое признание, награды не заставляли ждать. В 1846 г. он избирается членом Эдинбургского, а через пять лет — Лондонского королевских обществ. Единственные печальные события: смерть отца (1849) во время эпидемии холеры и смерть жены (1870).

Эксплуатация 70 патентов, работа в качестве консультанта во многих компаниях (в том числе и в фирме "Маркони") позволяли не стесняться в средствах. В 1870 г. Томсон приобрел роскошную яхту "Лалла Рух" водоизмещением 126 т. Несколько позднее (1874) на купленной усадьбе Нисерголл близ устья реки Клайд (Шотландия) он возвел замок. Значительное время отводилось заграничным путешествиям. Во время одного из них ученый посетил Одессу и Севастополь.

В конце века, не имеющего себе равных в мировой истории по прогрессу цивилизации и науки, оглядываясь назад и прослеживая рост старых, начало и развитие новых наук и тесный союз теории и практики, который доказал это принося пользу человечеству, мы видим повсюду и на каждом этапе заметную работу одного универсального гения - Уильяма Томсона, впоследствии сэра Уильяма Томсона, а теперь - лорда Кельвина.

В 1884 году Гейдельбергский университет на праздновании своего трехсотлетнего юбилея, желая присвоить ему почетную степень и обнаружив, что единственная имеющаяся в их распоряжении степень доктора медицины, которой он еще не имел, вручил ему этот диплом.

Франция назначила его Великим офицером Почетного легиона. Четыре раза он был президентом Королевского общества Эдинбурга (национальной академия науки и литературы Шотландии) и дважды президентом Института инженеров-электриков.

Работы лорда Кельвина получили всемирное признание. На празднование 50-летнего юбилея его профессорской деятельности съехалось 2500 гостей. Чествование длилось три дня. 

В конце жизни Кельвин был избран президентом Лондонского королевского общества (1900—1905), должность, которую когда-то занимал Ньютон. Последние два года в борьбе с болезнями провел в Нисерголле, где и скончался 17 декабря 1907 г. Похоронен в Вестминстерском аббатстве вблизи могилы Ньютона.

В 1924 г. широко отмечалось 100-летие со дня рождения ученого. Шестой номер журнала "Электричество", полностью посвященный Кельвину, вышел с красной надписью на обложке: "Lord Kelvin number".

Кельвин изображен на купюре в 100 фунтов и конечно занятый научным делом