ТОМСОН (Thomson) лорд КЕЛЬВІН, Вільям
Вільям Томсон народився в Белфасті в сім'ї викладача математики. Коли Вільяму було вісім років, сім'я переїхала до Глазго, який згодом став місцем життя і праці знаменитого фізика. Обдарований хлопчик уже у десятирічному віці став студентом університету Ґлазґо. Закінчивши університет Глазго, Томсон вступив до Кембриджського університету, після закінчення якого за порадою батька вирушив до Парижа для стажування в лабораторії відомого французького фізика-експериментатора А. Реньо. Незабаром молодий студент опублікував свою першу роботу з теорії теплопровідності. Двадцяти двох років Томсон стає професором у Глазго і займає кафедру до 1899, протягом п'ятдесяти трьох років.
У. Томсон мав великий педагогічний талант і чудово поєднував теоретичне навчання з практичним. Його лекції з фізики супроводжувалися демонстраціями, до проведення яких Томсон широко залучав студентів, що стимулювало інтерес слухачів.
В університеті Глазго У. Томсон створив фізичну лабораторію, в якій було зроблено багато оригінальних наукових досліджень, і яка відіграла велику роль у розвитку фізичної науки. Спочатку лабораторія тулилася у колишніх лекційних кімнатах, старому занедбаному винному підвалі та частині старого професорського будинку. У 1870 р. університет переїхав до нового чудового будинку, у якому були передбачені просторі приміщення для лабораторії. Кафедра та будинок Томсона першими у Британії освітилися електрикою. Між університетом та майстернями Уайта, в яких виготовлялися фізичні прилади, діяла перша в країні телефонна лінія. Майстерні розрослися на фабрику на кілька поверхів, що по суті стала філією лабораторії.
До кола наукових інтересів Томсона входили термодинаміка, гідродинаміка, електромагнетизм, теорія пружності, теплота, математика, техніка. Студентом Томсон опублікував кілька статей щодо застосування рядів Фур'є до різних розділів фізики. Стажуючись у Парижі, розробив метод розв'язання задач електростатики, який отримав назву методу «дзеркальних зображень» (1846). Познайомившись із теоремою Карно, висловив ідею абсолютної термодинамічної шкали (1848).
У 1851 р. У. Томсон сформулював (незалежно від Р. Клаузіуса) 2-й початок термодинаміки. У його роботі «Про динамічну теорію теплоти» викладалася нова точка зору на теплоту, згідно з якою «теплота є не речовиною, а динамічною формою механічного ефекту». Тому «має існувати певна еквівалентність між механічною роботою та теплотою». Томсон вказує, що цей принцип, «мабуть, уперше... був відкрито проголошений у роботі Ю. Майєра «Зауваження про сили неживої природи». Далі він згадує роботу Дж. Джоуля, який досліджував чисельне співвідношення, «що пов'язує теплоту та механічну силу».
Томсон стверджує, що вся теорія рушійної сили теплоти заснована на двох положеннях, з яких перше сходить до Джоуля і формулюється наступним чином: «У всіх випадках, коли рівні кількості механічної роботи виходять будь-яким способом виключно за рахунок теплоти або бувають витрачені виключно на отримання теплових дій, завжди губляться або набувають рівної кількості теплоти».
Друге положення Томсон формулює так: «Якщо будь-яка машина влаштована таким чином, що при роботі її в протилежному напрямку всі механічні та фізичні процеси в будь-якій частині її руху перетворюються на протилежні, то вона виробляє рівно стільки механічної роботи, скільки могла б зробити за рахунок заданої кількості тепла будь-яка термодинамічна машина з тими самими температурними джерелами тепла і холодильника».
Ця ситуація Томсон зводить до С. Карно і Р. Клаузіуса і доводить наступної аксіомою: «Неможливо за допомогою неживого матеріального діяча отримати від будь-якої маси речовини механічну роботу шляхом охолодження її нижче температури найхолоднішого з навколишніх предметів». До цього формулювання, яке називають томсонівським формулюванням другого початку, Томсон робить таку примітку: «Якби ми не визнали цю аксіому дійсною за всіх температур, нам довелося б припустити, що можна ввести в дію автоматичну машину і отримувати шляхом охолодження моря або землі механічну роботу у будь-якій кількості, аж до вичерпання всієї теплоти суші та моря або зрештою всього матеріального світу». Описану в цій примітці "автоматичну машину" стали називати perpetuum mobile 2-го роду.
Крім робіт з термодинаміки, Томсон заклав основи теорії електромагнітних коливань і в 1853 вивів формулу залежності періоду власних коливань контуру від його ємності та індуктивності (формула Томсона). У 1856 р. відкрив третій термоелектричний ефект - ефект Томсона (перші два - виникнення термо-ЕРС та виділення теплоти Пельтьє), що полягав у виділенні т.зв. теплоти Томсона при протіканні струму по провіднику за наявності градієнта температури. Велике значення у формуванні атомістичних уявлень мав зроблений Томсон розрахунок розмірів молекул на основі вимірювань поверхневої енергії плівки рідини. У 1870 він встановив залежність пружності насиченої пари від форми поверхні рідини.
Томсон зробив великий внесок у розвиток практичних застосувань різних розділів науки. Він був головним науковим консультантом під час прокладання перших трансатлантичних кабелів. Сконструював цілу низку точних електрометричних приладів: «кабельний» гальванометр, квадрантний та абсолютний електрометри, сифон-відмітник для прийому телеграфних сигналів. Запропонував використовувати багатожильні дроти із мідного дроту.
Роботи з прокладання трансатлантичного кабелю пробудили в Томсоні інтерес до навігації. Вчений створив удосконалений морський компас із компенсацією магнетизму залізного корпусу судна, винайшов ехолот безперервної дії, мареограф (прилад для реєстрації рівня води у морі чи річці). Відомі дослідження Томсона з теплопровідності, роботи з теорії припливів, поширення хвиль по поверхні, теорії вихрового руху.
У 1892 р. У. Томсону за його великі наукові заслуги присвоєно титул барона Кельвіна (на ім'я річки Кельвін, що протікає поблизу університету в Глазго). Томсон написав величезну кількість робіт з експериментальної та теоретичної фізики. П'ятдесятирічний ювілей його наукової діяльності у 1896 р. відзначали фізики всього світу. У вшануванні Томсона брали участь представники різних країн, зокрема російський фізик М. А. Умов; 1896 р. Томсон був обраний почесним членом Санкт-Петербурзької Академії наук. На честь Вільяма Томсона названо одиницю вимірювання абсолютної температури – кельвін.
Джерела:
1. Кудрявцев П.С. Курс історії фізики. М.: Просвітництво, 1982. - 448 с.
2. Велика радянська енциклопедія. У 30 тт.
Хронологія подій та відкриттів у хімії:
Вільям Томсон, барон Кельвін(англ. William Thomson, 1st Baron Kelvin; 26 червня 1824, Белфаст, Ірландія - 17 грудня 1907, Ларгс, Шотландія) - британський фізик і механік. Відомий своїми роботами у галузі термодинаміки, механіки, електродинаміки.
Біографія
Вільям Томсон народився 26 червня 1824 року у місті Белфасті. Батьки Томсона були ірландськими селянами; його батько Джеймс Томсон, відомий математик, з 1814 був учителем в Belfast Academical Institution, потім з 1832 професором математики в Глазго; відомий підручниками з математики, що витримали десятки видань. Вільям Томсон та його старший брат Джеймс навчалися у коледжі в Глазго, а потім у коледжі св. Петра в Кембриджі, де Вільям закінчив курс наук в 1845 році.
1846 року двадцятидворічний Томсон зайняв кафедру теоретичної фізики в університеті в Глазго.
В 1856 учений був нагороджений Королівською медаллю Лондонського королівського товариства.
З 1880 по 1882 президент Лондонського товариства фізиків. Незвичайні заслуги Томсона у чистій та прикладній науці були цілком оцінені його сучасниками.
У 1866 році Томсон був посвячений в лицарську гідність, в 1892 королева Вікторія подарувала йому перство з титулом «барон Кельвін» по річці Кельвін, що протікає повз університет Глазго і впадає в річку Клайд.
Наукова діяльність
Ще студентом Томсон опублікував ряд робіт з додатку рядів Фур'є до питань фізики і в дослідженні "The Cambridge math. Journ.", 1842) провів важливі аналогії між явищами поширення тепла та електричного струму, показавши, як вирішення питань однієї з цих областей застосувати до питань іншої. В іншому дослідженні The Linear Motion of Heat (1842, ibid.) Томсон розвинув принципи, які потім плідно доклав до багатьох питань динамічної геології, наприклад, питання про охолодження Землі.
У 1845 році, перебуваючи в Парижі, Томсон почав у журналі Жозефа Ліувіля публікацію низки статей з електростатики, в яких викладав свій метод електричних зображень, що дав можливість просто вирішити багато найважчих завдань електростатики.
У 1849 році Томсон розпочав роботи з термодинаміки, які були опубліковані у виданнях королівського товариства в Единбурзі. У першій з цих робіт Томсон, спираючись на дослідження Джоуля, вказав, як слід змінити принцип Карно, викладений у творі останнього (1824), щоб принцип узгодився із сучасними даними; ця робота містить одне з перших формулювань другого закону термодинаміки. У 1852 році Томсон дав інше його формулювання, саме вчення про розсіювання енергії. У тому року Томсон разом із Джоулем провів дослідження охолодження газів при розширенні без скоєння роботи, яке послужило перехідною щаблем від теорії ідеальних газів до теорії реальних газів.
Розпочата в 1855 робота з термоелектрики («Electrodynamic Qualities of Metals») викликала посилену експериментальну роботу; в роботі брали участь студенти університету Глазго, що започаткувало перші у Великій Британії практичні роботи студентів, а також початок лабораторії з фізики в Глазго.
У п'ятдесятих роках ХІХ століття Томсон зацікавився питанням про трансатлантичну телеграфію; спонукає невдач перших піонерів-практиків, Томсон теоретично досліджував питання про поширення електричних імпульсів вздовж кабелів і прийшов до висновків найбільшої практичної важливості, що дала можливість здійснити телеграфування через океан. Принагідно Томсон вивів умови існування коливального електричного розряду (1853), знову знайдені пізніше Кірхгофом (1864) і леглі в основу всього вчення про електричні коливання. В експедиції для прокладання кабелю Томсона познайомився з потребами морської справи, що призвело до вдосконалення лота та компасу (1872-1876).
Вільям Томсон, лорд Кельвін
(26.VI. 1824 – 17.XII. 1907)
Вільям Томсон, майбутній лорд Кельвін, народився в Белфасті (Ірландія) у сім'ї професора інженерії. Коли хлопчику було 7 років, батько отримав кафедру математики в університеті Глазго (Шотландія), і перебрався туди разом із сім'єю. Вже у віці восьми років Вільям почав відвідувати лекції свого батька, а у 10 років став студентом. Закінчивши навчання у Глазго, 17-річний юнак вступає до Кембриджського університету. У цей час публікується перша наукова стаття, присвячена тригонометричним рядам.
У 1845 р., після закінчення університету, Томсон за порадою батька їде до Парижа - стажуватися в лабораторії відомого французького фізика-експериментатора Анрі-Віктора Реньо (1810-1878). Тут Томсон розробив спосіб розв'язання електростатичних завдань ("метод електричних зображень"). Через рік 22-річний учений повернувся до Глазго, ставши професором та завідувачем кафедри фізики в університеті.
У 1848 р. Томсон запровадив "абсолютну термометричну шкалу". Він пояснив її назву так: "Для цієї шкали характерна повна незалежність від фізичних властивостей будь-якої конкретної речовини". Він зазначає, що "нескінченний холод повинен відповідати кінцевому числу градусів повітряного термометра нижче за нуль", а саме: точці, "відповідній обсягу повітря, зменшеному до нуля, що буде відзначено на шкалі як -273 °С".
Починаючи з 1851 Томсон публікує цикл наукових статей під загальною назвою "Про динамічну теорію теплоти", в яких він розглядає перший і другий закони термодинаміки. При цьому він ще раз повертається до проблеми абсолютної температури, зазначаючи, що "температури двох тіл пропорційні кількості теплоти відповідно взятої та відданої матеріальної системою у двох місцях, що мають ці температури, коли система здійснює повний цикл ідеальних оборотних процесів і захищена від втрати або додавання теплоти за будь-якої іншої температури".
Цей висновок дозволив Томсону висловити коефіцієнт корисної дії теплової машини (цикл Карно), використовуючи температури нагрівача і холодильника.
У цьому року, у віці 27 років, Томсон став членом Лондонського королівського суспільства - англійської Академії наук. А через два роки разом із англійським фізиком Джеймсом Джоулем (1818-1889) він встановив, що при адіабатичному (без припливу енергії ззовні) проходженні газу через пористу перегородку його температура знижується. Це явище отримало назву "ефект Джоуля-Томсона". Приблизно водночас Томсон розробив термодинамическую теорію термоелектричних явищ.
Крім термодинаміки Томсон займався вивченням електромагнітних явищ. Так, в 1853 р. він опублікував статтю "Про минущі електричні струми". Розглядаючи зміну за часом електричного заряду сферичного тіла при з'єднанні його тонким провідником (дротом) із Землею, Томсон встановив, що при цьому виникають коливання з певними характеристиками, що залежать від електроємності тіла, опору провідника і електродинамічної ємності. Згодом формулу, що відбиває залежність періоду вільних коливань у контурі без опору від зазначених величин, назвали "формулою Томсона" (хоча сам він цю формулу не виводив).
Томсон виявився першим ученим, який досліджував електричні коливання, і не випадково саме його запросили стати головним науковим консультантом під час прокладання перших трансатлантичних кабелів, призначених для створення сталого телеграфного зв'язку між двома континентами. За великий внесок у цю роботу він у 1865 р. був зведений у дворянську гідність, а в 1892 р. за видатні наукові заслуги йому було присвоєно титул лорда Кельвіна (за назвою річки, що протікає поблизу університету, де він працював довгі роки).
З 1890 до 1895 р.р. Томсон обіймав почесну посаду президента Лондонського королівського товариства.
Сер Вільям Томсон помер у віці 83 років у Ларгсі, неподалік Глазго. Після нього залишилося 25 книг, 660 наукових статей та 70 винаходів.
"Якщо ви можете виміряти те, про що кажете, і висловити це в цифрах – це означає, що ви щось про цей предмет знаєте. Але якщо ви не можете висловити це кількісно, ваші знання вкрай обмежені та незадовільні. Може це початковий етап, але це не рівень справжнього наукового знання."
У. Томсон (лорд Кельвін)
Вчений, чиє ім'я носить абсолютна термодинамічна шкала температур, лорд Кельвін, був різнобічною людиною, в коло наукових інтересів якої відомим термодинаміка (зокрема, йому належать два формулювання другого принципу термодинаміки), гідродинаміка, динамічна геологія, електромагнетизм, теорія пружності . Відомі дослідження вченого з теплопровідності, роботи з теорії припливів, поширення хвиль по поверхні, теорії вихрового руху. Але він був не просто вченим-теоретиком. "Людина науки відокремлюється від продуктивного робітника цілою прірвою, і наука замість того, щоб служити в руках робочого засобом для збільшення його власної продуктивної сили, майже скрізь протиставляє себе йому." - говорив учений. Його внесок у розвиток практичних застосувань різних розділів науки важко переоцінити У 1850-х роках вчений, який цікавився питаннями телеграфії, був головним науковим консультантом при прокладанні перших кабелів телеграфного зв'язку через Атлантичний океан. сигналів з сифонною подачею чорнила, ампер-ваги, що застосовуються для вивірки електричних приладів, і багато іншого, а також запропонував використовувати багатожильні дроти з мідного дроту. дії, мареограф (прилад для реєстрації рівня води у морі чи річці). Між безліччю патентів, взятих цим геніальним конструктором, зустрічаються такі і на суто практичні пристрої (як, наприклад, на водопровідні крани). Воістину талановита людина талановита у всьому.
Вільям Томсон (саме таке справжнє прізвище цього знаменитого вченого), з'явився на світ рівно 190 років тому, 26 червня 1824 року, в Белфасті (Північна Ірландія) в сім'ї викладача математики в Королівському академічному інституті Белфасту, автора ряду підручників, що витримали десятки. Томсона, предками якого були ірландські селяни. У 1817 році він одружився з Маргарет Гарднер. Їхній шлюб був багатодітним (чотири хлопчики та дві дівчинки). Старший син, Джеймс, і Вільям виховувалися у домі батька, а молодші хлопчики віддали на виховання старшим сестрам. Не дивно, що Томсон-старший подбав про гідну освіту своїх синів. Спочатку він більше уваги приділяв Джеймсу, але незабаром стало ясно, що слабке здоров'я старшого сина не дозволить йому здобути хорошу освіту, і батько зосередився на вихованні Вільяма.
Коли Вільяму було 7 років, сім'я переїхала до Глазго (Шотландія), де батько отримав кафедру математики та посаду професора. Глазго став згодом місцем життя та праці знаменитого фізика. Вже у віці восьми років Вільям почав відвідувати лекції свого батька, а у 10 років став студентом коледжу в Глазго, де навчався разом зі своїм старшим братом Джемсом. Велику роль у формуванні у юнака наукових інтересів відіграв Джон Нікол, відомий шотландський астроном та популяризатор науки, який працював в університеті з 1839 року. Він стежив за передовими досягненнями науки та намагався знайомити з ними своїх учнів. У віці шістнадцяти років Вільям прочитав книгу Фур'є «Аналітична теорія теплоти», яка, сутнісно, все життя визначила програму його досліджень.
Закінчивши коледж, Томсон вступив на навчання до St. Peter College в Кембриджі, де опублікував кілька статей щодо застосування рядів Фур'є до різних розділів фізики та в чудовому дослідженні "The Cambridge math. Journ." 1842) провів важливі аналогії між явищами поширення тепла та електричного струму та показав, як вирішення питань з однієї з цих областей застосувати до питань іншої області. В іншому дослідженні The Linear Motion of Heat (1842, ibid.) Томсон розвинув принципи, які потім плідно доклав до багатьох питань динамічної геології, наприклад, питання про охолодження Землі. В одному з ранніх листів до батька Томсон пише, як він планує свого часу: встати о 5 год ранку і розпалити камін; читати до 8 год 15 хв; відвідати щоденну лекцію; читати до 1 години дня; робити вправи до 4 год. вечора; відвідати церкву до 7 год. вечора; читати до 8 год 30 хв; відправитися в ліжко о 9 год. Такий розклад ілюструє бажання, що збереглося на все життя, мінімізувати марну трату часу. Треба сказати, що Вільям Томсон був всебічно розвиненим молодим чоловіком, він займався спортом, навіть входив у команду Кембріджа з академічного веслування і разом зі своїми товаришами здобув перемогу над студентами Оксфорда у знаменитій гонці, що проводиться з 1829 року. Також Томсон добре знався на музиці та літературі. Але всім цим захопленням він віддавав перевагу заняттям наукою, і тут його інтереси також відрізнялися різноманітністю.
У 1845 році, після закінчення Кембриджу, отримавши диплом другого ранглера та премію Сміта, Вільям за порадою батька відправився до Парижа стажуватися в лабораторії відомого французького фізика-експериментатора Анрі-Віктора Реньо (1810-1878). Тоді ж у журналі Жозефа Ліувіля Томсон публікує ряд статей з електростатики, в яких викладає свій метод електричних зображень, згодом названий "методом дзеркальних зображень", що дав можливість просто вирішити багато найважчих завдань електростатики.
Поки Томсон навчався у Кембриджі, у Глазго відбувалися події, що визначили його майбутню кар'єру. Коли Томсон у 1841 р. закінчував перший курс Кембриджу, тяжко захворів професор натуральної філософії університету Глазго Вільям Мейклхем. Зрозуміло, що він не зможе повернутися на роботу. Пройшов і 1842 рік, але жодного очевидного кандидата на вільне місце в Глазго не знайшлося, і тут Томсон-старший зрозумів, що його син Вільям, якому щойно виповнилося 18 років, цілком може взяти участь у змаганні за це місце. 11 вересня 1846 р. 22-річного Томсона таємним голосуванням було обрано на посаду професора натуральної філософії в університеті Глазго. Він зберігав свою посаду до 1899 р., не спокусившись навіть посадою завідувача кафедри Кавендіша в Кембриджі, яка пропонувалася йому тричі в 1870- і 1880-х гг. Першу лекцію як професора університету Глазго Томсон прочитав 4 листопада 1846 р. У ній він дав вступний огляд всіх розділів фізики для студентів, що записалися на курс натуральної філософії. У листі до Стокс Томсон зізнавався, що перша лекція була провалом. Він заздалегідь повністю записав її і весь час турбувався, що читав надто швидко. Але це не завадило використати той самий запис наступного року і далі щороку протягом п'ятдесяти років, з різними вставками, поправками та покращеннями. Студенти любили свого знаменитого професора, хоча його здатність миттєво розуміти, бачити зв'язки та аналогії, ставила багатьох у глухий кут, особливо коли Томсон експромтом вставляв такі міркування в лекції.
У 1847 р. на зборах Британської асоціації дослідників природи в Оксфорді Томсон зустрівся з Джеймсом Джоулем. Протягом попередніх чотирьох років Джоуль заявляв на цих щорічних зборах, що теплота не є, як тоді вважалося, деякою субстанцією (теплородом), що поширюється від одного тіла до іншого. Джоуль висловлював переконання, що теплота є насправді результатом коливань складових речовини атомів. Вивчивши те, як газ стискається при охолодженні, Джоуль припустив, що жодна речовина не може бути охолоджена нижче за температуру 284 °С (пізніше, як ми знаємо, ця цифра була уточнена Томсоном). Крім того, Джоуль продемонстрував еквівалентність роботи та теплоти, провівши експерименти щодо визначення еквівалентної кількості механічної роботи, необхідної для нагрівання одного фунта води на 1°F. Він навіть стверджував, що температура води біля основи водоспаду вища, ніж нагорі. Виступи Джоуля на зборах Британської асоціації сприймалися з нудьгою та недовірою. Але все змінилося на зборах в Оксфорді в 1847 році в залі сидів Томсон. Він був захоплений тим, що говорив Джоуль, став ставити багато запитань і спровокував спекотні дебати. Правда, Томсон припустив, що Джоуль може бути неправий. У листі до брата після зборів Томсон писав: "Я посилаю роботи Джоуля, які тебе вразять. У мене було мало часу, щоб докладно в них розібратися. Мені здається, що зараз у них ще багато вад". Але Джоуль не помилявся, і Томсон після довгих роздумів погодився. Більше того, він зумів пов'язати ідеї Джоуля з роботою Саді Карно щодо теплових машин. При цьому йому вдалося знайти більш загальний спосіб визначення абсолютного нуля температури, який не залежить від конкретної речовини. Саме тому фундаментальна базова одиниця температури отримала пізню назву кельвін. Крім того, Томсон усвідомив, що закон збереження енергії є великим принципом науки, що об'єднує, і ввів поняття "статичної" і "динамічної" енергії, які ми зараз відповідно називаємо кінетичною і потенційною енергіями.
У 1848 р. Томсон запровадив " абсолютну термометричну шкалу". Він пояснив її назву так: " Для цієї шкали характерна повна незалежність від фізичних властивостей будь-якої конкретної речовини". Він зазначає, що " нескінченний холод повинен відповідати кінцевому числу градусів повітряного термометра нижче нуля", а саме: точці," що відповідає обсягу повітря, зменшеному до нуля, що буде зазначено на шкалі як -273 °С".
З 1849 починаються роботи Томсона з термодинаміки, надруковані у виданнях королівського суспільства в Единбурзі. У першій з цих робіт Томсон, спираючись на дослідження Джоуля, вказує, як слід змінити принцип Карно, викладений у творі останнього. принцип погодився із сучасними даними; ця знаменита робота містить одне з перших формулювань другого закону термодинаміки.
Починаючи з 1851 Томсон публікує цикл наукових статей під загальною назвою "Про динамічну теорію теплоти", в яких він розглядає (незалежно від Р. Клаузіуса) перший і другий закони термодинаміки. При цьому він ще раз повертається до проблеми абсолютної температури, зазначаючи, що " температури двох тіл пропорційні кількості теплоти, відповідно взятої та відданої матеріальної системою у двох місцях, що мають ці температури, коли система здійснює повний цикл ідеальних оборотних процесів та захищена від втрати або додавання теплоти за будь-якої іншої температури". У його роботі "Про динамічну теорію теплоти" викладалася нова точка зору на теплоту, згідно з якою " теплота є не речовиною, а динамічною формою механічного ефекту». Тому «має існувати певна еквівалентність між механічною роботою та теплотою». Томсон вказує, що цей принцип, мабуть, вперше... було відкрито проголошено у роботі Ю. Майєра «Зауваження про сили неживої природи». Далі він згадує роботу Дж. Джоуля, який досліджував чисельне співвідношення, що зв'язує теплоту та механічну силу». Томсон стверджує, що вся теорія рушійної сили теплоти заснована на двох положеннях, з яких перше сходить до Джоуля і формулюється так: « У всіх випадках, коли рівні кількості механічної роботи виходять будь-яким способом виключно за рахунок теплоти або бувають витрачені виключно на отримання теплових дій, завжди губляться або купуються рівні кількості теплоти». Друге положення Томсон формулює так: «Якщо будь-яка машина влаштована таким чином, що при роботі її в протилежному напрямку всі механічні та фізичні процеси в будь-якій частині її руху перетворюються на протилежні, то вона виробляє рівно стільки механічної роботи, скільки могла б зробити за рахунок заданої кількості тепла будь-яка термодинамічна машина з тими самими температурними джерелами тепла і холодильника». Це положення Томсон зводить до С. Карно та Р. Клаузіуса і обґрунтовує наступною аксіомою: « Неможливо за допомогою неживого матеріального діяча отримати від будь-якої маси речовини механічну роботу шляхом охолодження її нижче температури найхолоднішого з навколишніх предметів». До цього формулювання, яке називають томсонівським формулюванням другого початку, Томсон робить таку примітку: « Якби ми не визнали цю аксіому дійсною за всіх температур, нам довелося б припустити, що можна ввести в дію автоматичну машину і отримувати шляхом охолодження моря або землі механічну роботу в будь-якій кількості, аж до вичерпання всієї теплоти суші та моря або врешті-решт. матеріального світу». Описану в цій примітці "автоматичну машину" стали називати perpetuum mobile 2-го роду. Виходячи з відкритого закону термодинаміки і застосовуючи його до Всесвіту як до цілого, дійшов (1852) до помилкового висновку про неминучість «теплової смерті Всесвіту» (гіпотеза теплової смерті Всесвіту). Неправомірність такого підходу та помилковість гіпотези довів Л. Больцман.
У цьому року, у віці 27 років, Томсон став членом Лондонського королівського суспільства - англійської Академії наук. У 1852 році Томсон спільно з англійським фізиком Джеймсом Джоулем проводить відоме дослідження над охолодженням газів при розширенні без скоєння роботи, яке послужило перехідним ступенем від теорії ідеальних газів до теорії реальних газів. Вони встановили, що з адіабатичному (без припливу енергії ззовні) проходженні газу через пористу перегородку його температура знижується. Це явище отримало назву "ефект Джоуля-Томсона". Приблизно водночас Томсон розробив термодинамическую теорію термоелектричних явищ.
У 1852 році вчений одружився з Маргарет Крам, в яку він був закоханий з дитинства. Він був щасливим, але щастя, на жаль, тривало недовго. Вже під час медового місяця здоров'я Маргарет різко погіршилося. Наступні 17 років життя Томсона були затьмарені незмінними тривогами за здоров'я дружини, і майже весь вільний час вчений присвячував догляду за нею.
Крім робіт із термодинаміки, Томсон займався вивченням електромагнітних явищ. Так, в 1853 р. він опублікував статтю "Про минущі електричні струми", заклавши основи теорії електромагнітних коливань. Розглядаючи зміну за часом електричного заряду сферичного тіла при з'єднанні його тонким провідником (дротом) із Землею, Томсон встановив, що при цьому виникають коливання з певними характеристиками, що залежать від електроємності тіла, опору провідника і електродинамічної ємності. Згодом формулу, що відбиває залежність періоду вільних коливань у контурі без опору від зазначених величин, назвали "формулою Томсона" (хоча сам він цю формулу не виводив).
Нарешті, 1855 року вчений поєднав дві сфери своїх наукових інтересів і став досліджувати термоелектричні процеси. Він розробив термодинамічну теорію термоелектричних явищ. Багато таких явищ вже були відомі, деякі відкрив сам Томсон. У 1856 р. відкрив третій термоелектричний ефект - ефект Томсона (перші два - виникнення термо-ЕРС та виділення теплоти Пельтьє), що полягав у виділенні т.зв. теплоти Томсона при протіканні струму по провіднику за наявності градієнта температури. Найдивовижніше, що Томсон не експериментально здійснив це відкриття, а передбачив його, виходячи зі своєї теорії. І це в той час, коли вчені ще не мали навіть більш-менш правильних уявлень про природу електричного струму! Велике значення у формуванні атомістичних уявлень мав зроблений Томсон розрахунок розмірів молекул на основі вимірювань поверхневої енергії плівки рідини. У 1870 він встановив залежність пружності насиченої пари від форми поверхні рідини.
Томсон був тісно пов'язаний з іншим фізиком ірландського походження Джорджем Габріелем Стоксом. Вони зустрілися в Кембриджі і залишалися близькими друзями до кінця життя, обмінявшись більш ніж 650 листами. Значна частина їхньої кореспонденції стосується досліджень з математики та фізики. Їхні уми доповнювали один одного, і в деяких випадках думки так об'єднувалися, що жоден не міг сказати (та й не дбав про це), хто першим висловив якусь ідею. Можливо, найзнаменитішим прикладом є теорема Стокса з векторного аналізу, що дозволяє перетворювати інтеграли по замкнутому контуру на інтеграли по натягнутій на цей контур поверхні, і навпаки. Ця теорема була насправді сформульована у листі від Томсона до Стокса, так що її треба було б називати "теоремою Томсона".
У п'ятдесятих роках Томсон зацікавився питанням про трансатлантичної телеграфії; спонукає невдач перших піонерів-практиків, Томсон теоретично досліджує питання про поширення електричних імпульсів вздовж кабелів і приходить до висновків найбільшої практичної важливості, що дала можливість здійснити телеграфування через океан. Принагідно Томсон виводить умови існування коливального електричного розряду (1853), знову знайдені пізніше Кірхгофом (1864) і леглі в основу всього вчення про електричні коливання. Експедиція для прокладання кабелю знайомить Томсона з потребами морської справи і призводить до вдосконалення лота та компасу (1872-1876). Він створив і запатентував новий компас, більш стабільний, ніж ті, що існували в той час, і усував девіацію, пов'язану зі сталевими корпусами кораблів. Спочатку Адміралтейство віднеслося до винаходу скептично. За висновком однієї з комісій, «компас дуже ніжний і, напевно, дуже тендітний». У відповідь Томсон кинув компас до кімнати, де засідала комісія і компас не пошкодився. Флотське начальство було остаточно переконане у міцності нового компасу, й у 1888 року його було прийнято озброєння всього флоту. Томсон також винайшов механічний провісник часу припливів і створив новий ехолот, за допомогою якого можна було швидко визначати глибину під судном і, що важливіше, робити це на ходу корабля.
Не менш відомими стали погляди Вільям Томсона на теплову історію Землі. Його інтерес до цього питання прокинувся 1844 року, коли він був ще студентом молодшого курсу в Кембриджі. Пізніше він неодноразово до нього повертався, що зрештою призвело його до конфлікту з іншими відомими вченими, зокрема з Джоном Тіндаллом, Томасом Хакслі та Чарльзом Дарвіном. Це можна побачити з відгуку Дарвіна про Томсона, як про «мерзенну примару», і проповідницький запал Хакслі, що висував еволюційну теорію як альтернативу релігійним віруванням. Томсон був християнином, але його не турбував захист буквального тлумачення подробиць Творіння, він, наприклад, із задоволенням міркував про те, що життя Землю заніс метеорит. Однак Томсон завжди захищав і все життя просував добру науку. Він вважав, що геологія та еволюційна біологія були слабо розвинені порівняно з фізикою, що базується на суворій математиці. Насправді багато фізиків того часу не вважали, що геологія та біологія є науками взагалі. Для оцінки віку Землі Вільям Томсон використав методи улюбленого Фур'є. Він розрахував, скільки часу знадобилося для охолодження розплавленої земної кулі до стану з теперішньою температурою. У 1862 році Вільям Томсон оцінив вік Землі в 100 млн років, але в 1899 переглянув розрахунки і знизив цифру до 20-40 млн років. Біологам і геологам була потрібна в сто разів велика цифра. Розбіжність між теоріями вирішилося лише на початку ХХ століття, коли Ернест Резерфорд зрозумів, що радіоактивність порід забезпечує внутрішній механізм розігріву Землі, що уповільнює охолодження. Цей процес призводить до збільшення віку Землі порівняно з пророкованим Томсоном. Сучасні оцінки дають значення щонайменше 4600 млн. років. Відкриття 1903 року закону, що пов'язує з радіоактивним розпадом вивільнення теплової енергії, не спонукали його змінити власні оцінки віку Сонця. Але оскільки радіоактивність була відкрита, коли Томсон переступив 70-річний рубіж, його можна вибачити за те, що він не враховував її роль у дослідженнях, які розпочав у 20-річному віці.
У. Томсон мав і великий педагогічний талант і чудово поєднував теоретичне навчання з практичним. Його лекції з фізики супроводжувалися демонстраціями, до проведення яких Томсон широко залучав студентів, що стимулювало інтерес слухачів. В університеті Глазго У. Томсон створив першу у Великій Британії фізичну лабораторію, в якій було зроблено багато оригінальних наукових досліджень, і яка відіграла велику роль у розвитку фізичної науки. Спочатку лабораторія тулилася у колишніх лекційних кімнатах, старому занедбаному винному підвалі та частині старого професорського будинку. У 1870 р. університет переїхав до нового чудового будинку, у якому були передбачені просторі приміщення для лабораторії. Кафедра та будинок Томсона першими у Британії освітилися електрикою. Між університетом та майстернями Уайта, в яких виготовлялися фізичні прилади, діяла перша в країні телефонна лінія. Майстерні розрослися на фабрику на кілька поверхів, що по суті стала філією лабораторії.
Розповідають, що одного разу лорд Кельвін змушений був скасувати свою лекцію і написав на дошці “Professor Tomson will not meet his classes today” (“Професор Томсон не зможе зустрітись сьогодні зі своїми учнями”). Студенти вирішили пожартувати з професора і стерли букву “с” у слові “classes”. Наступного дня, побачивши напис, Томсон не розгубився, стерши ще одну літеру в тому ж слові, мовчки пішов. (Гра слів: classes – класи, учні; lasses – коханки, asses – осли.)
17 червня 1870 померла Маргарет. Після цього вчений вирішив змінити своє життя, більше часу присвячувати відпочинку, він навіть купив шхуну, на якій робив прогулянки з друзями та колегами. Влітку 1873 року Томсон очолював чергову експедицію з прокладання кабелю. Через пошкодження кабелю екіпаж був змушений зробити 16-денну зупинку на Мадейрі, де вчений потоваришував із сім'єю Чарлза Бланді, особливо з Фанні – однією з його дочок, з якою одружився влітку наступного року.
Крім наукової, викладацької та інженерної діяльності, Вільям Томсон виконував і багато почесних обов'язків. Тричі (1873-1878, 1886-1890, 1895-1907) він обирався президентом Королівського товариства Единбурга, з 1890 по 1895 очолював Лондонське королівське товариство. У 1884 році здійснив поїздку до США, де прочитав серію лекцій. Незвичайні заслуги Томсона у чистій та прикладній науці були цілком оцінені його сучасниками. В 1866 Вільям отримав дворянський титул, а в 1892 королева Вікторія за його наукові заслуги подарувала йому перство з титулом «барон Кельвін» (за назвою річки Кельвін, що протікає в Глазго). На жаль, Вільям став не лише першим, а й останнім бароном Кельвіном – його другий шлюб, як і перший, виявився бездітним. П'ятдесятирічний ювілей його наукової діяльності у 1896 р. відзначали фізики всього світу. У вшануванні Томсона брали участь представники різних країн, зокрема російський фізик М. А. Умов; 1896 р. Томсон був обраний почесним членом Санкт-Петербурзької Академії наук. В 1899 Кельвін залишив кафедру в Глазго, хоча і не перестав займатися наукою.
Наприкінці XIX ст., 27 квітня 1900 р., лорд Кельвін прочитав знамениту лекцію в Королівському інституті про кризу динамічної теорії світла і тепла, під назвою "Хмари дев'ятнадцятого століття над динамічною теорією теплоти і світла". У ній він сказав: "Краса і ясність динамічної теорії, згідно з якою теплота і світло є формами руху, в даний час затьмарені двома хмарами. Перша з них... це питання: як може Земля рухатися крізь пружне середовище, яке по суті є світлоносним. ефір? Друга - це доктрина Максвелла-Больцмана про розподіл енергії". Обговорення першого питання лорд Кельвін завершив словами: "Боюсь, що першу хмару ми поки що маємо розглядати як дуже темну". Більшість лекції була присвячена труднощам, пов'язаним з припущенням про рівномірний розподіл енергії за ступенями свободи. Це питання широко обговорювалося в ті роки у зв'язку з непереборними протиріччями щодо спектрального розподілу випромінювання абсолютно чорного тіла. Підсумовуючи безплідним пошукам шляху подолання протиріч, лорд Кельвін досить песимістично укладає, що найпростіший шлях полягає у тому, ніж звертати уваги існування цієї хмари. Проникливість маститого фізика була дивовижною: він точно намацав дві болючі точки сучасної йому науки. Через кілька місяців, в останні дні ХІХ ст., М.Планк опублікував своє вирішення проблеми випромінювання абсолютно чорного тіла, ввівши поняття про квантовий характер випромінювання та поглинання світла, а через п'ять років, у 1905 р., А.Ейнштейн опублікував роботу "К електродинаміки рухомих тіл", в якій сформулював приватну теорію відносності і дав негативну відповідь на питання існування ефіру. Таким чином, за двома хмаринками на небі фізики ховалися теорія відносності та квантова механіка – фундаментальні засади сьогоднішньої фізики.
Останні роки життя лорда Кельвіна були часом появи у фізиці багато чого принципово нового. Епоха класичної фізики, одним із найяскравіших діячів якої він був, наближалася до завершення. Вже недалека була квантова і релятивістська ера, і він робив кроки до неї: його жваво цікавили рентгенівські промені і радіоактивність, він виконав розрахунки щодо визначення розмірів молекул, висунув гіпотезу про будову атомів і активно підтримував дослідження Дж. Дж. Томсона в цьому напрямку . Проте не обійшлося і без казусів. Ще в 1896 році він скептично сприйняв новину про відкриття Вільгельмом Конрадом Рентгеном особливих променів, що дозволяють бачити внутрішню будову людського тіла, назвавши цю звістку перебільшеною, схожою на добре сплановану містифікацію і вимагає ретельної перевірки. А за рік до цього заявив: «Літальні апарати важчі за повітря неможливі». У 1897 році Кельвін зазначив, що радіо не має жодних перспектив.
Помер лорд Вільям Кельвін 17 грудня 1907 року у віці 83 років у Ларгсі (Шотландія), неподалік Глазго. Заслуги перед наукою цього короля фізики вікторіанської епохи незаперечно великі, і його порох по праву спочиває у Вестмінстерському абатстві поруч із прахом Ісаака Ньютона. Після нього залишилося 25 книг, 660 наукових статей та 70 винаходів. У «Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa» (1896) наведено список близько 250 статей (крім книг), що належать Томсону.
БІОГРАФІЯ.
Того, хто згодом став лордом Кельвіном, звали Вільям Томсон. Він народився 26 червня 1824 року в Белфасті (Північна Ірландія) у сім'ї професора інженерії. Коли хлопчику було сім років, сім'я перейшла до Глазго (Шотландія), де його батько отримав кафедру математики в університеті. Вільям рано залишився без матері, і вихованням його та старшого брата займався батько, який мав велику повагу.
Лекції батька в університеті Вільям почав відвідувати у вісім років, а о десятій він уже став повноправним студентом. У Книзі рекордів Гіннеса Вільям Томсон відзначений як наймолодший студент в історії – він розпочав заняття в Університеті Глазго у жовтні 1834 року у віці 10 років 4 місяців, а 14 листопада того ж року був зарахований студентом.
Закінчивши навчання в Глазго, сімнадцятирічний юнак вступив до Кембриджського університету зі спеціалізацією з математики. Після закінчення університету в 1845 році за порадою отця Вільям їде до Парижа для стажування в галузі фізики теплових явищ. Увагу молодого вченого привертає також аналогія між описом електростатичних та теплових явищ. Цей інтерес до електро- та термодинаміки вчений зберіг на все життя.
Після повернення з Франції Томсон займає кафедру натуральної філософії (теоретичної фізики) університету Глазго, де працює до 1899 року, протягом п'ятдесяти трьох років. З 1904 року Томсон – президент університету.
У 1890 – 1895 роках він очолював Лондонське Королівське товариство і за видатні наукові заслуги був удостоєний титулу лорда Кельвіна у 1892 році. Томсон мав величезний авторитет серед вчених усього світу, він був членом багатьох наукових академій та товариств, у тому числі почесним членом Петербурзької Академії наук, мав багато нагород.
НАУКОВА ДІЯЛЬНІСТЬ.
Наукові інтереси Томсона були дуже різноманітними. Ще в Парижі, він розробив важливий метод розв'язання задач електростатики, який отримав назву методу «дзеркальних зображень» (1846) і дав можливість вирішити низку питань в електротехніці, теорії теплопровідності тощо. У Парижі Томсон познайомився з теорією Карно, що призвело його до ідеї абсолютної температури та поняття абсолютної шкали температур, названої згодом шкалою Кельвіна.
Незалежно від Клаузіуса Томсон сформулював другий закон термодинаміки. Разом з Дж. Джоулем Томсон встановив, що з адіабатичному розширенні газ охолоджується (ефект Джоуля – Томсона). Цей ефект з часом стали широко використовувати для отримання низьких температур. Томсон належить побудова першої послідовної теорії термоелектричних явищ.
Томсон розробив також основи теорії електричних коливань і вивів формулу, що носить сьогодні його ім'я, яка встановлює залежність між періодом власних коливань контуру і його ємністю та індуктивністю. Він також виконав важливі розробки з практичного здійснення телеграфного зв'язку, був головним науковим консультантом під час прокладання перших трансатлантичних кабелів, які забезпечили стійкий телеграфний зв'язок між двома континентами. За участь у прокладанні кабелю Томсона було зведено в дворянську гідність.
Цікаво, що роботи з прокладання кабелю пробудили у вченого інтерес до проблем морської навігації, наслідком чого стало створення ехолота безперервної дії, мареографа, принципове вдосконалення морського компасу. Про авторитет Томсона та повагу до нього свідчать наступні слова одного морського офіцера: «Кожен моряк повинен молитися на нього щоноч!»
Розповіді про вчених із фізики. 2014
Завантаження...