William Thomson, primer barón Kelvin

William Thomson, primer barón Kelvin, OM, GCVO, PC, PRS, FRSE (26 de junio de 1824 - 17 de diciembre de 1907) fue un matemático, físico matemático e ingeniero británico nacido en Belfast. Profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Glasgow durante 53 años, realizó un trabajo importante en el análisis matemático de la electricidad y la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, e hizo mucho para unificar la disciplina emergente de la física en su forma contemporánea. Recibió la Medalla Copley de la Royal Society en 1883, fue su presidente entre 1890 y 1895 y en 1892 fue el primer científico británico en ser elevado a la Cámara de los Lores.

Las temperaturas absolutas se expresan en unidades de kelvin en su honor. Si bien la existencia de la temperatura más fría posible (cero absoluto) se conocía antes de su trabajo, Kelvin es conocido por determinar su valor correcto en aproximadamente -273,15 grados Celsius o -459,67 grados Fahrenheit. El efecto Joule-Thomson también se nombra en su honor.

Trabajó de cerca con el profesor de matemáticas Hugh Blackburn en su trabajo. También tuvo una carrera como ingeniero de telégrafo eléctrico e inventor, lo que lo impulsó a la opinión pública y aseguró su riqueza, fama y honor. Por su trabajo en el proyecto del telégrafo transatlántico fue nombrado caballero en 1866 por la reina Victoria, convirtiéndose en Sir William Thomson. Tenía amplios intereses marítimos y fue más conocido por su trabajo en la brújula del marinero, que anteriormente tenía una fiabilidad limitada.

Fue ennoblecido en 1892 en reconocimiento de sus logros en termodinámica y de su oposición a la autonomía irlandesa, convirtiéndose en barón Kelvin, de Largs en el condado de Ayr. El título se refiere al río Kelvin, que fluye cerca de su laboratorio en la casa Gilmorehill de la Universidad de Glasgow en Hillhead. A pesar de las ofertas de puestos elevados de varias universidades de renombre mundial, Kelvin se negó a dejar Glasgow, permaneciendo hasta su retiro final de ese puesto en 1899. Activo en investigación y desarrollo industrial, fue contratado alrededor de 1899 por George Eastman para servir como vicepresidente. del directorio de la compañía británica Kodak Limited, afiliada a Eastman Kodak. En 1904 se convirtió en Canciller de la Universidad de Glasgow.

Su hogar era la mansión de arenisca roja Netherhall, en Largs, que construyó en la década de 1870 y donde murió. El Museo Hunterian de la Universidad de Glasgow tiene una exposición permanente sobre el trabajo de Kelvin que incluye muchos de sus papeles originales, instrumentos y otros artefactos, como su pipa de fumar.

Primeros años y obra

Familia

Árbol de familia Thomson: James Thomson (mathematician), James Thomson (engineer), y William Thomson, fueron todos profesores de la Universidad de Glasgow; los dos últimos, a través de su asociación con William Rankine, otro profesor de Glasgow, trabajaron para formar una de las escuelas fundadoras de la termodinámica.

El padre de William Thomson, James Thomson, era profesor de matemáticas e ingeniería en la Institución Académica Real de Belfast e hijo de un agricultor. James Thomson se casó con Margaret Gardner en 1817 y, de sus hijos, cuatro niños y dos niñas sobrevivieron a la infancia. Margaret Thomson murió en 1830 cuando William tenía seis años.

William y su hermano mayor James fueron instruidos en casa por su padre, mientras que los niños menores fueron instruidos por sus hermanas mayores. James estaba destinado a beneficiarse de la mayor parte del aliento, el afecto y el apoyo financiero de su padre y estaba preparado para una carrera en ingeniería.

En 1832, su padre fue nombrado profesor de matemáticas en Glasgow y la familia se mudó allí en octubre de 1833. Los niños Thomson conocieron una experiencia cosmopolita más amplia que la educación rural de su padre, pasando mediados de 1839 en Londres. y los niños fueron instruidos en francés en París. Gran parte de la vida de Thomson a mediados de la década de 1840 transcurrió en Alemania y los Países Bajos. El estudio de idiomas se le dio una alta prioridad.

Su hermana, Anna Thomson, fue la madre de James Thomson Bottomley FRSE (1845–1926).

Juventud

William Thomson, aged 22

El meandro del río Kelvin que contiene el campus Neo-Gothic Gilmorehill de la Universidad de Glasgow diseñado por George Gilbert Scott, al que la universidad se mudó en los años 1870 (fotógrafo 1890s)

Thomson tenía problemas cardíacos y casi muere cuando tenía 9 años. Asistió a la Institución Académica Real de Belfast, donde su padre era profesor en el departamento universitario. En 1834, a los 10 años, comenzó a estudiar en la Universidad de Glasgow, no por precocidad; la Universidad proporcionó muchas de las instalaciones de una escuela primaria para alumnos capaces, y esta era una edad de inicio típica.

En la escuela, Thomson mostró un gran interés por los clásicos junto con su interés natural por las ciencias. A la edad de 12 años ganó un premio por traducir los Diálogos de los dioses de Luciano de Samosata del griego antiguo al inglés.

En el año académico 1839/1840, Thomson ganó el premio de su clase en astronomía por su Ensayo sobre la figura de la Tierra, que mostró una temprana facilidad para el análisis matemático y la creatividad. Su tutor de física en ese momento era su homónimo, David Thomson.

A lo largo de su vida, trabajaría en los problemas planteados en el ensayo como una estrategia de afrontamiento en momentos de estrés personal. En la portada de este ensayo, Thomson escribió las siguientes líneas del Ensayo sobre el hombre de Alexander Pope. Estas líneas inspiraron a Thomson a comprender el mundo natural utilizando el poder y el método de la ciencia:

¡Vamos, criatura maravillosa! monte donde guía la Ciencia;
Medir la tierra, sopesar el aire y indicar las mareas;
Instruye a los planetas en qué orbes correr,

Tiempo viejo correcto, y regular el sol;

Thomson se sintió intrigado por la Théorie analytique de la chaleur de Fourier y se comprometió a estudiar el "Continental" las matemáticas resistidas por un establecimiento británico que todavía trabaja a la sombra de Sir Isaac Newton. Como era de esperar, el trabajo de Fourier había sido atacado por matemáticos nacionales, Philip Kelland autor de un libro crítico. El libro motivó a Thomson a escribir su primer artículo científico publicado bajo el seudónimo P.Q.R., defendiendo a Fourier, y presentado al Cambridge Mathematical Journal por su padre. Un segundo P.Q.R. el papel siguió casi de inmediato.

Mientras estaba de vacaciones con su familia en Lamlash en 1841, escribió una tercera y más sustancial P.Q.R. artículo Sobre el movimiento uniforme del calor en cuerpos sólidos homogéneos y su relación con la teoría matemática de la electricidad. En el artículo, hizo conexiones notables entre las teorías matemáticas de la conducción del calor y la electrostática, una analogía que James Clerk Maxwell finalmente describiría como una de las ideas científicas más valiosas.

Cambridge

El padre de William pudo hacer una provisión generosa para la educación de su hijo favorito y, en 1841, lo instaló, con extensas cartas de presentación y amplio alojamiento, en Peterhouse, Cambridge. Mientras estuvo en Cambridge, Thomson participó activamente en deportes, atletismo y remo, y ganó el Colquhoun Sculls en 1843. También se interesó vivamente por los clásicos, la música y la literatura; pero el verdadero amor de su vida intelectual fue la búsqueda de la ciencia. El estudio de las matemáticas, la física y, en particular, la electricidad, habían cautivado su imaginación. En 1845 Thomson se graduó como Segundo Wrangler. También ganó el First Smith's Prize, que, a diferencia de los tripos, es una prueba de investigación original. Se dice que Robert Leslie Ellis, uno de los examinadores, le dijo a otro examinador: "Tú y yo estamos en condiciones de reparar sus plumas".

En 1845, dio el primer desarrollo matemático de la idea de Michael Faraday de que la inducción eléctrica tiene lugar a través de un medio intermedio, o "dieléctrico", y no por alguna "acción" incomprensible. a distancia". También ideó la técnica matemática de las imágenes eléctricas, que se convirtió en un poderoso agente para resolver problemas de electrostática, la ciencia que trata de las fuerzas entre cuerpos cargados eléctricamente en reposo. Fue en parte en respuesta a su estímulo que Faraday emprendió la investigación en septiembre de 1845 que condujo al descubrimiento del efecto Faraday, que estableció que la luz y los fenómenos magnéticos (y por lo tanto eléctricos) estaban relacionados.

Fue elegido miembro de St. Peter's (como se llamaba a Peterhouse en ese momento) en junio de 1845. Al obtener la beca, pasó algún tiempo en el laboratorio del célebre Henri Victor Regnault, en París; pero en 1846 fue designado para ocupar la cátedra de filosofía natural en la Universidad de Glasgow. A los veintidós años se encontró vistiendo la toga de un profesor en una de las universidades más antiguas del país, y dando una conferencia en la clase de la que era estudiante de primer año unos años antes.

Termodinámica

Para 1847, Thomson ya se había ganado la reputación de ser un científico precoz e inconformista cuando asistió a la reunión anual de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en Oxford. En esa reunión, escuchó a James Prescott Joule hacer otro de sus intentos, hasta ahora ineficaces, de desacreditar la teoría calórica del calor y la teoría de la máquina térmica construida sobre ella por Sadi Carnot y Émile Clapeyron. Joule abogó por la convertibilidad mutua del calor y el trabajo mecánico y por su equivalencia mecánica.

Thomson estaba intrigado pero escéptico. Aunque sintió que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se retiró a un compromiso aún más profundo con la escuela de Carnot-Clapeyron. Predijo que el punto de fusión del hielo debe caer con la presión, de lo contrario, su expansión al congelarse podría explotarse en un móvil perpetuo. La confirmación experimental en su laboratorio hizo mucho para reforzar sus creencias.

En 1848, amplió aún más la teoría de Carnot-Clapeyron debido a su insatisfacción de que el termómetro de gas proporcionaba solo una definición operativa de la temperatura. Propuso una escala de temperatura absoluta en la que "una unidad de calor que desciende de un cuerpo A a la temperatura T° de esta escala, a un cuerpo B a la temperatura temperatura (T−1)°, produciría el mismo efecto mecánico [trabajo], cualquiera que sea el número T." Tal escala sería 'bastante independiente de las propiedades físicas de cualquier sustancia específica'. Al emplear tal "cascada", Thomson postuló que se alcanzaría un punto en el que no se podría transferir más calor (calórico), el punto de cero absoluto sobre el que Guillaume Amontons había especuló en 1702. "Reflexiones sobre la fuerza motriz del calor", publicado por Carnot en francés en 1824, el año del nacimiento de Lord Kelvin, usó −267 como una estimación de la temperatura cero absoluta. Thomson utilizó datos publicados por Regnault para calibrar su báscula con las medidas establecidas.

En su publicación, Thomson escribió:

... La conversión del calor (o calorías) en el efecto mecánico es probablemente imposible, ciertamente no descubierto

—Pero una nota al pie señaló sus primeras dudas sobre la teoría calórica, refiriéndose a los descubrimientos muy notables de Joule. Sorprendentemente, Thomson no le envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando Joule finalmente lo leyó, le escribió a Thomson el 6 de octubre, alegando que sus estudios habían demostrado la conversión de calor en trabajo, pero que estaba planeando más experimentos. Thomson respondió el 27 de octubre, revelando que estaba planeando sus propios experimentos y esperando una reconciliación de sus dos puntos de vista.

Thomson volvió a criticar la publicación original de Carnot y leyó su análisis a la Royal Society de Edimburgo en enero de 1849, todavía convencido de que la teoría era fundamentalmente sólida. Sin embargo, aunque Thomson no realizó nuevos experimentos, durante los siguientes dos años se sintió cada vez más insatisfecho con la teoría de Carnot y se convenció de la de Joule. En febrero de 1851 se sentó a articular su nuevo pensamiento. No estaba seguro de cómo enmarcar su teoría y el documento pasó por varios borradores antes de decidirse por un intento de reconciliar a Carnot y Joule. Durante su reescritura, parece haber considerado ideas que posteriormente darían lugar a la segunda ley de la termodinámica. En la teoría de Carnot, el calor perdido se absolutamente pero Thomson sostuvo que se "perdió para el hombre de forma irrecuperable; pero no perdido en el mundo material". Además, sus creencias teológicas llevaron a Thompson a extrapolar la segunda ley al cosmos, originando la idea de la muerte térmica universal.

Creo que la tendencia en el mundo material es que el movimiento se difunda, y que en general el reverso de la concentración está pasando gradualmente – creo que ninguna acción física puede restaurar el calor emitido desde el Sol, y que esta fuente no es inagotable; también que los movimientos de la Tierra y otros planetas están perdiendo vis viva que se convierte en calor; y que aunque algunos vis viva puede ser restaurado por ejemplo a la tierra por el calor recibido del sol, o por otros medios, que la pérdida no puede ser Precisamente compensado y creo que es probable que no sea compensado.

La compensación requeriría un acto creativo o un acto que poseyera un poder similar, lo que resultaría en un universo rejuvenecedor (ya que Thompson había comparado previamente la muerte por calor universal con un reloj que funciona más lento y más lento, aunque no estaba seguro de si eventualmente alcanzaría el equilibrio termodinámico y se detendría para siempre). Kelvin también formuló la paradoja de la muerte por calor (paradoja de Kelvin) en 1862, que utiliza la segunda ley de la termodinámica para refutar la posibilidad de un universo infinitamente antiguo; esta paradoja fue posteriormente ampliada por Rankine.

En la publicación final, Thomson se retractó de un punto de partida radical y declaró que "toda la teoría de la fuerza motriz del calor se basa en... dos... proposiciones, debidas respectivamente a Joule, Carnot y Clausius." Thomson continuó enunciando una forma de la segunda ley:

Es imposible, por medio de la agencia material inanimada, derivar efecto mecánico de cualquier parte de la materia enfriándola por debajo de la temperatura del más frío de los objetos circundantes.

En el artículo, Thomson apoyó la teoría de que el calor era una forma de movimiento, pero admitió que solo había sido influenciado por el pensamiento de Sir Humphry Davy y los experimentos de Joule y Julius Robert von Mayer, manteniendo que la demostración experimental del la conversión de calor en trabajo seguía pendiente.

Tan pronto como Joule leyó el documento, le escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una fructífera, aunque en gran parte epistolar, colaboración entre los dos hombres, Joule realizando experimentos, Thomson analizando los resultados y sugiriendo más experimentos. La colaboración duró de 1852 a 1856, sus descubrimientos incluyeron el efecto Joule-Thomson, a veces llamado efecto Kelvin-Joule, y los resultados publicados hicieron mucho para lograr la aceptación general del trabajo de Joule y la teoría cinética.

Thomson publicó más de 650 artículos científicos y solicitó 70 patentes (no todas fueron emitidas). Con respecto a la ciencia, Thomson escribió lo siguiente:

En la ciencia física un primer paso esencial en la dirección del aprendizaje de cualquier tema es encontrar principios de cálculo numérico y métodos practicables para medir alguna calidad relacionada con él. A menudo digo que cuando usted puede medir lo que usted está hablando y expresarlo en números usted sabe algo sobre él; pero cuando usted no puede medirlo, cuando usted no puede expresarlo en números, su conocimiento es de una clase meagre e insatisfactoria: puede ser el comienzo del conocimiento, pero usted apenas, en sus pensamientos, avanzado a la etapa de cienciaSea lo que sea.

Cable transatlántico

Cálculos sobre la tasa de datos

Aunque ahora eminente en el campo académico, Thomson era desconocido para el público en general. En septiembre de 1852, se casó con su novia de la infancia, Margaret Crum, hija de Walter Crum; pero su salud se deterioró en su luna de miel y, durante los siguientes 17 años, Thomson se distrajo con su sufrimiento. El 16 de octubre de 1854, George Gabriel Stokes le escribió a Thomson para tratar de volver a interesarlo en el trabajo pidiéndole su opinión sobre algunos experimentos de Michael Faraday sobre el cable telegráfico transatlántico propuesto.

Faraday había demostrado cómo la construcción de un cable limitaría la velocidad a la que se podían enviar los mensajes; en términos modernos, el ancho de banda. Thomson abordó el problema y publicó su respuesta ese mes. Expresó sus resultados en términos de la tasa de datos que podría lograrse y las consecuencias económicas en términos de los ingresos potenciales de la empresa transatlántica. En otro análisis de 1855, Thomson enfatizó el impacto que tendría el diseño del cable en su rentabilidad.

Thomson sostuvo que la velocidad de señalización a través de un cable determinado era inversamente proporcional al cuadrado de la longitud del cable. Los resultados de Thomson fueron cuestionados en una reunión de la Asociación Británica en 1856 por Wildman Whitehouse, el electricista de Atlantic Telegraph Company. Whitehouse posiblemente había malinterpretado los resultados de sus propios experimentos, pero sin duda sentía presión financiera ya que los planes para el cable ya estaban en marcha. Creía que los cálculos de Thomson implicaban que el cable debía ser 'abandonado por ser prácticamente y comercialmente imposible'.

Thomson atacó el argumento de Whitehouse en una carta a la popular revista Athenaeum, y se lanzó a la vista del público. Thomson recomendó un conductor más grande con una sección transversal más grande de aislamiento. Pensó que Whitehouse no era tonto y sospechó que podría tener la habilidad práctica para hacer que el diseño existente funcionara. El trabajo de Thomson había atraído la atención de los encargados de la funeraria del proyecto. En diciembre de 1856, fue elegido miembro de la junta directiva de Atlantic Telegraph Company.

Científico a ingeniero

Thomson se convirtió en asesor científico de un equipo con Whitehouse como electricista jefe y Sir Charles Tilston Bright como ingeniero jefe, pero Whitehouse se salió con la suya con la especificación, con el apoyo de Faraday y Samuel F. B. Morse.

La grabadora telegráfica de William Thomson, en exhibición en el Museo Telegráfico Porthcurno, en enero de 2019.

Thomson navegó a bordo del barco de tendido de cables HMS Agamemnon en agosto de 1857, con Whitehouse confinado a tierra debido a una enfermedad, pero el viaje terminó después de 380 millas (610 km) cuando el cable se partió. Thomson contribuyó al esfuerzo al publicar en el Engineer toda la teoría de las tensiones involucradas en el tendido de un cable submarino, y demostró que cuando la línea sale del barco, a una velocidad constante, en una profundidad uniforme de agua, se hunde en una pendiente inclinada o recta desde el punto donde entra en el agua hasta donde toca el fondo.

Thomson desarrolló un sistema completo para operar un telégrafo submarino capaz de enviar un carácter cada 3,5 segundos. Patentó los elementos clave de su sistema, el galvanómetro de espejo y el registrador de sifón, en 1858.

Whitehouse todavía se sentía capaz de ignorar las muchas sugerencias y propuestas de Thomson. No fue hasta que Thomson convenció a la junta de que usar cobre más puro para reemplazar la sección perdida del cable mejoraría la capacidad de datos, que primero marcó una diferencia en la ejecución del proyecto.

La junta insistió en que Thomson se uniera a la expedición de tendido de cables de 1858, sin ninguna compensación financiera, y participara activamente en el proyecto. A cambio, Thomson aseguró una prueba para su galvanómetro de espejo, que la junta no había mostrado entusiasmo, junto con el equipo de Whitehouse. A Thomson le resultó insatisfactorio el acceso que le dieron y el Agamemnon tuvo que regresar a casa tras la desastrosa tormenta de junio de 1858. En Londres, la junta estuvo a punto de abandonar el proyecto y mitigar sus pérdidas vendiendo el cable. Thomson, Cyrus West Field y Curtis M. Lampson abogaron por otro intento y prevalecieron, Thomson insistió en que los problemas técnicos eran solucionables. Aunque empleado como asesor, Thomson había desarrollado, durante los viajes, los instintos y la habilidad de un verdadero ingeniero para resolver problemas prácticos bajo presión, a menudo tomando la iniciativa en el manejo de emergencias y sin miedo a ayudar en el trabajo manual. Un cable se completó el 5 de agosto.

Desastre y triunfo

Los temores de Thomson se hicieron realidad cuando el aparato de Whitehouse demostró ser insuficientemente sensible y tuvo que ser reemplazado por el galvanómetro de espejo de Thomson. Whitehouse continuó manteniendo que era su equipo el que estaba brindando el servicio y comenzó a tomar medidas desesperadas para remediar algunos de los problemas. Logró dañar fatalmente el cable aplicando 2000 V. Cuando el cable falló por completo, Whitehouse fue despedido, aunque Thomson se opuso y la junta lo reprendió por su interferencia. Posteriormente, Thomson lamentó haber accedido con demasiada facilidad a muchas de las propuestas de Whitehouse y no haberlo desafiado con suficiente vigor.

La Junta de Comercio y Atlantic Telegraph Company establecieron un comité conjunto de investigación. Se descubrió que la mayor parte de la culpa por la falla del cable recaía en Whitehouse. El comité descubrió que, aunque los cables submarinos eran notorios por su falta de confiabilidad, la mayoría de los problemas surgían de causas conocidas y evitables. Thomson fue nombrado miembro de un comité de cinco miembros para recomendar una especificación para un nuevo cable. El comité informó en octubre de 1863.

En julio de 1865, Thomson participó en la expedición de tendido de cables del SS Great Eastern, pero el viaje se vio obstaculizado por problemas técnicos. El cable se perdió después de haber tendido 1200 millas (1900 km) y se abandonó el proyecto. Un nuevo intento en 1866 colocó un nuevo cable en dos semanas y luego recuperó y completó el cable de 1865. La empresa ahora fue agasajada como un triunfo por el público y Thomson disfrutó de una gran parte de la adulación. Thomson, junto con los otros directores del proyecto, fue nombrado caballero el 10 de noviembre de 1866.

Para explotar sus inventos para la señalización en cables submarinos largos, Thomson ahora se asoció con C. F. Varley y Fleeming Jenkin. Junto con este último, también ideó un remitente automático de acera, una especie de tecla de telégrafo para enviar mensajes por cable.

Expediciones posteriores

Thomson participó en el tendido del cable de comunicaciones submarino del Atlántico francés de 1869, y con Jenkin fue ingeniero de los cables Occidental y Brasileño y Platino-Brasileño, asistido por el estudiante de vacaciones James Alfred Ewing. Estuvo presente en el tendido del tramo Pará a Pernambuco de los cables de la costa brasileña en 1873.

La esposa de Thomson, Margaret, murió el 17 de junio de 1870 y él decidió hacer cambios en su vida. Ya adicto a la navegación, en septiembre compró una goleta de 126 toneladas, la Lalla Rookh y la utilizó como base para entretener a amigos y colegas científicos. Sus intereses marítimos continuaron en 1871 cuando fue nombrado miembro de la Junta de Investigación sobre el hundimiento del HMS Captain.

En junio de 1873, Thomson y Jenkin estaban a bordo del Hooper, con destino a Lisboa con 2500 millas (4020 km) de cable cuando se produjo una falla en el cable. Siguió una escala no programada de 16 días en Madeira y Thomson se hizo muy amigo de Charles R. Blandy y sus tres hijas. El 2 de mayo de 1874 zarpó hacia Madeira en el Lalla Rookh. Mientras se acercaba al puerto, hizo una seña a la residencia de Blandy "¿Quieres casarte conmigo?" y Fanny (la hija de Blandy, Frances Anna Blandy) respondieron 'Sí'. Thomson se casó con Fanny, 13 años menor que él, el 24 de junio de 1874.

Lord Kelvin por Hubert von Herkomer

Otras contribuciones

Thomson y Tait: Tratado de Filosofía Natural

Durante el período de 1855 a 1867, Thomson colaboró con Peter Guthrie Tait en un libro de texto que fundó el estudio de la mecánica primero en las matemáticas de la cinemática, la descripción del movimiento sin tener en cuenta la fuerza. El texto desarrolló dinámicas en varias áreas pero con una atención constante a la energía como principio unificador.

Una segunda edición apareció en 1879, ampliada a dos partes encuadernadas por separado. El libro de texto estableció un estándar para la educación temprana en física matemática.

Electricidad atmosférica

Kelvin hizo contribuciones significativas a la electricidad atmosférica durante el tiempo relativamente corto durante el cual trabajó en el tema, alrededor de 1859. Desarrolló varios instrumentos para medir el campo eléctrico atmosférico, usando algunos de los electrómetros que había desarrollado inicialmente para trabajos de telégrafo, que probó en Glasgow y durante sus vacaciones en Arran. Sus mediciones en Arran fueron lo suficientemente rigurosas y bien calibradas como para poder deducir la contaminación del aire del área de Glasgow, a través de sus efectos sobre el campo eléctrico atmosférico. El electrómetro cuentagotas de agua de Kelvin se usó para medir el campo eléctrico atmosférico en el Observatorio de Kew y el Observatorio de Eskdalemuir durante muchos años, y uno todavía estaba en uso operativo en el Observatorio de Kakioka en Japón hasta principios de 2021. Es posible que Kelvin haya observado involuntariamente la energía eléctrica atmosférica efectos causados por el evento Carrington (una tormenta geomagnética significativa) a principios de septiembre de 1859.

La teoría del vórtice del átomo de Kelvin

Entre 1870 y 1890, la teoría del átomo de vórtice, que pretendía que un átomo era un vórtice en el éter, fue popular entre los físicos y matemáticos británicos. Thomson fue pionero en la teoría, que se diferenciaba de la teoría del vórtice de Descartes del siglo XVII en que Thomson pensaba en términos de una teoría del continuo unitario, mientras que Descartes pensaba en términos de tres tipos diferentes de materia, cada uno relacionado respectivamente con la emisión, la transmisión y la transmisión. y reflejo de la luz. Alrededor de 60 artículos científicos fueron escritos por aproximadamente 25 científicos. Siguiendo el ejemplo de Thomson y Tait, se desarrolló la rama de la topología denominada teoría de nudos. La iniciativa de Kelvin en este complejo estudio que continúa inspirando nuevas matemáticas ha llevado a la persistencia del tema en la historia de la ciencia.

Marina

La máquina de predecir mareas de Thomson

Thomson era un navegante entusiasta, su interés en todo lo relacionado con el mar quizás surgió o fue fomentado por sus experiencias en el Agamemnon y el Great Eastern.

Thomson introdujo un método de sondeo de profundidad en aguas profundas, en el que una cuerda de piano de acero reemplaza la línea de mano ordinaria. El cable se desliza tan fácilmente hacia el fondo que los "sondeos voladores" se puede tomar mientras el barco está a toda velocidad. Thomson agregó un manómetro para registrar la profundidad del hundidor.

Al mismo tiempo, revivió el método de Sumner para encontrar la posición de un barco y calculó un conjunto de tablas para su fácil aplicación.

Durante la década de 1880, Thomson trabajó para perfeccionar la brújula ajustable para corregir errores derivados de la desviación magnética debido al mayor uso de hierro en la arquitectura naval. El diseño de Thomson fue una gran mejora con respecto a los instrumentos más antiguos, siendo más estable y menos obstaculizado por la fricción. La desviación debida al magnetismo del barco se corrigió mediante masas de hierro móviles en la bitácora. Las innovaciones de Thomson implicaron mucho trabajo detallado para desarrollar principios identificados por George Biddell Airy y otros, pero contribuyeron poco en términos de pensamiento físico novedoso. El enérgico cabildeo y la creación de redes de Thomson resultaron efectivos para ganar la aceptación de su instrumento por parte del Almirantazgo.

Compass de Kelvin Mariner

Los biógrafos científicos de Thomson, si han prestado alguna atención a sus innovaciones de brújula, generalmente han tomado el asunto como una saga de administradores navales de poca monta que resisten las maravillosas innovaciones de una mente científica superlativa. Los escritores simpatizan con la Armada, por otro lado, retratan a Thomson como un hombre de talento y entusiasmo sin duda, con cierto conocimiento genuino del mar, que logró detener un puñado de ideas modestas en el diseño de la brújula en un monopolio comercial por su propia preocupación de fabricación, utilizando su reputación como un bludgeon en las cortes legales para derrotar incluso pequeñas reivindicaciones de originalidad de otros, y persuadir a la ley

La verdad, inevitablemente, parece estar en algún lugar entre los dos extremos.

Charles Babbage fue uno de los primeros en sugerir que se podría hacer que un faro señalara un número distintivo ocultando su luz, pero Thomson señaló los méritos del código Morse para este propósito e instó a que las señales deberían consistir en de destellos cortos y largos de la luz para representar los puntos y rayas.

Estándares eléctricos

Thomson hizo más que cualquier otro electricista hasta su época al introducir métodos y aparatos precisos para medir la electricidad. Ya en 1845 señaló que los resultados experimentales de William Snow Harris estaban de acuerdo con las leyes de Coulomb. En las Memorias de la Academia Romana de Ciencias de 1857 publicó una descripción de su nuevo electrómetro de anillo dividido, basado en el antiguo electroscopio de Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger e introdujo una cadena o serie de instrumentos efectivos., incluido el electrómetro de cuadrante, que cubre todo el campo de la medición electrostática. Inventó el balance de corriente, también conocido como balance de Kelvin o balance de amperios (SiC), para la especificación precisa del amperio, el estándar unidad de corriente eléctrica. Alrededor de 1880, el ingeniero eléctrico Magnus Maclean FRSE lo ayudó en sus experimentos eléctricos.

En 1893, Thomson encabezó una comisión internacional para decidir sobre el diseño de la central eléctrica de las Cataratas del Niágara. A pesar de su creencia en la superioridad de la transmisión de energía eléctrica de corriente continua, respaldó el sistema de corriente alterna de Westinghouse que se había demostrado en la Feria Mundial de Chicago de ese año. Incluso después de las Cataratas del Niágara, Thomson aún mantenía su creencia de que la corriente continua era el sistema superior.

En reconocimiento de su contribución a la normalización eléctrica, la Comisión Electrotécnica Internacional eligió a Thomson como su primer presidente en su reunión preliminar, celebrada en Londres los días 26 y 27 de junio de 1906. "A propuesta del presidente [Sr. Alexander Siemens, Gran Bretaña], secundado [sic] por el Sr. Mailloux [Instituto de Ingenieros Eléctricos de EE. UU.], el Muy Honorable Lord Kelvin, G.C.V.O., O.M., fue elegido por unanimidad como primer Presidente de la Comisión, se lee en el acta del Informe de la Reunión Preliminar.

Edad de la Tierra: geología

Kelvin caricatured by Spy for Vanity Fair, 1897

Kelvin hizo una primera estimación basada en la física de la edad de la Tierra. Dado su trabajo juvenil sobre la figura de la Tierra y su interés en la conducción del calor, no sorprende que decidiera investigar el enfriamiento de la Tierra y hacer inferencias históricas de la edad de la Tierra a partir de sus cálculos. Thomson fue un creacionista en un sentido amplio, pero no fue un "geólogo" de inundaciones" (un punto de vista que había perdido el apoyo científico principal en la década de 1840. Sostenía que las leyes de la termodinámica operaban desde el nacimiento del universo y preveía un proceso dinámico que vio la organización y evolución del Sistema Solar y otras estructuras, seguido de un gradual "muerte por calor". Desarrolló la opinión de que la Tierra alguna vez estuvo demasiado caliente para albergar vida y contrastó esta opinión con la del uniformismo, que las condiciones habían permanecido constantes desde el pasado indefinido. Sostuvo que ";Esta tierra, ciertamente hace un número moderado de millones de años, era un globo al rojo vivo...."

Después de la publicación de Charles Darwin Sobre el origen de las especies en 1859, Thomson vio evidencia de que la edad habitable relativamente corta de la Tierra tiende a contradecir el gradualismo de Darwin. explicación de la lenta selección natural que produce la diversidad biológica. Los propios puntos de vista de Thomson favorecían una versión de la evolución teísta acelerada por la guía divina. Sus cálculos mostraron que el Sol no podría haber existido el tiempo suficiente para permitir el lento desarrollo incremental por evolución, a menos que fuera calentado por una fuente de energía más allá del conocimiento de la ciencia de la era victoriana. Pronto se vio envuelto en un desacuerdo público con los geólogos y con los partidarios de Darwin, John Tyndall y T. H. Huxley. En su respuesta al discurso de Huxley ante la Sociedad Geológica de Londres (1868), presentó su discurso 'Of Geological Dynamics'. (1869) que, entre sus otros escritos, desafió a los geólogos' afirmación de que la tierra debe ser muy antigua, tal vez miles de millones de años.

La estimación inicial de Thomson de 1864 de la edad de la Tierra era de 20 a 400 millones de años. Estos amplios límites se debían a su incertidumbre sobre la temperatura de fusión de las rocas, a la que equiparaba la temperatura interior de la Tierra, así como la incertidumbre sobre las conductividades térmicas y los calores específicos de las rocas. A lo largo de los años, refinó sus argumentos y redujo el límite superior por un factor de diez, y en 1897 Thomson, ahora Lord Kelvin, finalmente se decidió por una estimación de que la Tierra tenía entre 20 y 40 millones de años. En una carta publicada en Scientific American Supplement 1895, Kelvin criticó a los geólogos & # 39; estimaciones de la edad de las rocas y la edad de la tierra, incluidas las opiniones publicadas por Charles Darwin, como "vagamente vasta edad".

Su exploración de esta estimación se puede encontrar en su discurso de 1897 ante el Instituto Victoria, dado a pedido del presidente del Instituto, George Stokes, según consta en la revista Transactions. Aunque su ex asistente John Perry publicó un artículo en 1895 desafiando la suposición de Kelvin de baja conductividad térmica dentro de la Tierra, y mostrando así una edad mucho mayor, esto tuvo poco impacto inmediato. El descubrimiento en 1903 de que la desintegración radiactiva libera calor llevó a que se cuestionara la estimación de Kelvin, y Ernest Rutherford argumentó en una conferencia de 1904 a la que asistió Kelvin que esto proporcionaba la fuente de energía desconocida que Kelvin había sugerido, pero la estimación no fue anulado hasta el desarrollo en 1907 de la datación radiométrica de las rocas.

El descubrimiento de la radiactividad invalidó en gran medida la estimación de Kelvin de la edad de la Tierra. Aunque finalmente pagó una apuesta de caballeros con Strutt sobre la importancia de la radiactividad en la geología de la Tierra, nunca lo reconoció públicamente porque pensó que tenía un argumento mucho más sólido que restringía la edad del Sol a cero. más de 20 millones de años. Sin la luz del sol, no podría haber explicación para el registro de sedimentos en la superficie de la Tierra. En ese momento, la única fuente conocida de energía solar era el colapso gravitatorio. Fue solo cuando se reconoció la fusión termonuclear en la década de 1930 que la paradoja de la edad de Kelvin se resolvió realmente. Sin embargo, la cosmología moderna reconoce el período Kelvin en la vida temprana de una estrella, durante el cual brilla con energía gravitatoria (calculada correctamente por Kelvin) antes de que comience la fusión y la secuencia principal.

Kelvin en un crucero de placer en el río Clyde a bordo del vapor Glen Sannox por su 17 de junio de 1896 "jubileo" como profesor de Filosofía Natural en Glasgow

Lord Kelvin y Lady Kelvin acogen a noruegos Fridtjof Nansen y Eva Nansen visitando en su casa en febrero de 1897

Vida posterior y muerte

La tumba de la familia Thomson, Glasgow Necropolis

En el invierno de 1860-1861, Kelvin resbaló en el hielo mientras hacía curl cerca de su casa en Netherhall y se fracturó la pierna, lo que provocó que se perdiera la reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en Manchester en 1861 y cojeara a partir de entonces. Siguió siendo una especie de celebridad en ambos lados del Atlántico hasta su muerte.

Thomson siguió siendo un creyente devoto del cristianismo durante toda su vida; la asistencia a la capilla era parte de su rutina diaria. Consideró que su fe cristiana apoyaba e informaba su trabajo científico, como se desprende de su discurso en la reunión anual de la Sociedad Cristiana de Evidencia, el 23 de mayo de 1889.

En la lista de Honores de la Coronación de 1902 publicada el 26 de junio de 1902 (el día original de la coronación de Eduardo VII y Alexandra), Kelvin fue nombrado Consejero Privado y uno de los primeros miembros de la nueva Orden del Mérito (OM). Recibió la orden del Rey el 8 de agosto de 1902 y fue juramentado miembro del consejo en el Palacio de Buckingham el 11 de agosto de 1902. En sus últimos años, viajaba a menudo a su casa en 15 Eaton Place, frente a Eaton Square en Londres&# 39; s Belgravia.

En noviembre de 1907 se resfrió y su estado se deterioró hasta que murió en su casa de campo escocesa, Netherhall, en Largs, el 17 de diciembre.

A petición de la Abadía de Westminster, los empresarios de pompas fúnebres Wylie & Lochhead preparó un ataúd de roble, forrado con plomo. En la oscuridad de la noche de invierno, el cortejo partió de Netherhall hacia la estación de tren de Largs, una distancia de aproximadamente una milla. Grandes multitudes presenciaron el paso del cortejo, y los comerciantes cerraron sus locales y atenuaron sus luces. El ataúd se colocó en una furgoneta especial de Midland and Glasgow and South Western Railway. El tren partió a las 8:30 p. m. hacia Kilmarnock, donde la camioneta se unió al expreso nocturno a la estación de tren de St Pancras en Londres.

El funeral de Kelvin se iba a celebrar el 23 de diciembre de 1907. El ataúd se llevó en un coche fúnebre desde St Pancras hasta la Abadía de Westminster, donde descansó durante la noche en la capilla de St Faith. Al día siguiente, la Abadía estaba llena de gente para el funeral, incluidos representantes de la Universidad de Glasgow y la Universidad de Cambridge, junto con representantes de Francia, Italia, Alemania, Austria-Hungría, Rusia, Estados Unidos, Canadá, Australia, Japón, y Mónaco. La tumba de Kelvin está en la nave, cerca de la pantalla del coro y cerca de las tumbas de Isaac Newton, John Herschel y Charles Darwin. Los portadores del féretro incluían al hijo de Darwin, Sir George Darwin.

De vuelta en Escocia, la Universidad de Glasgow celebró un servicio conmemorativo para Kelvin en el Bute Hall. Kelvin había sido miembro de la Iglesia Episcopal Escocesa, adjunto a la Iglesia Episcopal de St Columba en Largs, y cuando estuvo en Glasgow a la Iglesia Episcopal de St Mary (ahora, la Catedral de St Mary, Glasgow). Al mismo tiempo que el funeral en la Abadía de Westminster, se llevó a cabo un servicio en la Iglesia Episcopal de St Columba, Largs, al que asistió una gran congregación, incluidos los dignatarios del burgo.

William Thomson también está conmemorado en la tumba de la familia Thomson en la necrópolis de Glasgow. La tumba familiar tiene un segundo monumento moderno a William al lado, erigido por la Royal Philosophical Society of Glasgow; sociedad de la que fue presidente en los períodos 1856-1858 y 1874-1877.

Consecuencias y legado

Límites de la física clásica

En 1884, Thomson dirigió una clase magistral sobre "Dinámica molecular y la teoría ondulatoria de la luz" en la Universidad Johns Hopkins. Kelvin se refirió a la ecuación de ondas acústicas que describe el sonido como ondas de presión en el aire e intentó describir también una ecuación de ondas electromagnéticas, asumiendo un éter luminífero susceptible a la vibración. El grupo de estudio incluyó a Michelson y Morley, quienes posteriormente realizaron el experimento de Michelson-Morley, que posteriormente no encontró éter luminífero. Thomson no proporcionó un texto, pero A. S. Hathaway tomó notas y las copió con un papirograma. Como el tema estaba en desarrollo activo, Thomson modificó ese texto y en 1904 se compuso y publicó. Los intentos de Thomson de proporcionar modelos mecánicos finalmente fracasaron en el régimen electromagnético. A partir de su conferencia en 1884, Kelvin también fue el primer científico en formular el concepto hipotético de materia oscura; luego intentó definir y localizar algunos "cuerpos oscuros" en la Vía Láctea.

El 27 de abril de 1900 dio una conferencia ampliamente difundida titulada Nubes del siglo XIX sobre la teoría dinámica del calor y la luz en la Royal Institution. Las dos "nubes oscuras" a lo que se refería era la confusión en torno a cómo se mueve la materia a través del éter (incluidos los desconcertantes resultados del experimento de Michelson-Morley) y las indicaciones de que la Ley de Equipartición en la mecánica estadística podría romperse. A partir de estas cuestiones se desarrollaron dos grandes teorías físicas durante el siglo XX: para la primera, la teoría de la relatividad; para el segundo, la mecánica cuántica. Albert Einstein, en 1905, publicó los llamados 'Annus Mirabilis papers', uno de los cuales explicaba el efecto fotoeléctrico, basado en el descubrimiento de Max Planck de los cuantos de energía que fue la base de la mecánica cuántica. otro de los cuales describía la relatividad especial, y el último de los cuales explicaba el movimiento browniano en términos de mecánica estadística, proporcionando un sólido argumento a favor de la existencia de los átomos.

Pronunciamientos que luego se demostró que eran falsos

Al igual que muchos científicos, Thomson cometió algunos errores al predecir el futuro de la tecnología.

Su biógrafo Silvanus P. Thompson escribe que "cuando se anunció el descubrimiento de los rayos X de Röntgen a fines de 1895, Lord Kelvin se mostró completamente escéptico y consideró el anuncio como un engaño". Los periódicos habían estado llenos de las maravillas de los rayos de Röntgen, sobre los cuales Lord Kelvin se mostró intensamente escéptico hasta que el mismo Röntgen le envió una copia de sus Memorias; el 17 de enero de 1896, después de leer el periódico y ver las fotografías, le escribió a Röntgen una carta diciendo que "no necesito decirle que cuando leí el periódico quedé muy asombrado y encantado". No puedo decir más ahora que felicitarte calurosamente por el gran descubrimiento que has hecho" Se haría una radiografía de su propia mano en mayo de 1896. (Ver también rayos N).

Su pronóstico para la aviación práctica (es decir, aviones más pesados que el aire) fue negativo. En 1896 rechazó una invitación para unirse a la Sociedad Aeronáutica y escribió que "no tengo la más mínima molécula de fe en la navegación aérea que no sea en globo o en la expectativa de buenos resultados de cualquiera de las pruebas de las que escuchamos".; Y en una entrevista en un periódico de 1902, predijo que "Ningún globo ni ningún avión tendrán éxito en la práctica".

Una afirmación falsamente atribuida a Kelvin es: "No hay nada nuevo por descubrir en física ahora. Todo lo que queda es una medición cada vez más precisa." Esto se ha atribuido erróneamente a Kelvin desde la década de 1980, ya sea sin citarlo o afirmando que se hizo en un discurso ante la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (1900). No hay evidencia de que Kelvin haya dicho esto, y la cita es, en cambio, una paráfrasis de Albert A. Michelson, quien en 1894 declaró: '... parece probable que la mayoría de los grandes principios subyacentes se hayan establecido firmemente... Un físico eminente señaló que las verdades futuras de la ciencia física deben buscarse en el sexto lugar de los decimales." Declaraciones similares fueron dadas anteriormente por otros, como Philipp von Jolly. La atribución a Kelvin en 1900 es presumiblemente una confusión con su 'Dos nubes'. discurso, pronunciado ante la Real Institución en 1900 (ver arriba), y que por el contrario señalaba áreas que posteriormente verían revoluciones.

En 1898, Kelvin predijo que solo quedaban 400 años de suministro de oxígeno en el planeta, debido a la tasa de quema de combustibles. En su cálculo, Kelvin supuso que la fotosíntesis era la única fuente de oxígeno libre; no conocía todos los componentes del ciclo del oxígeno. Ni siquiera pudo haber conocido todas las fuentes de la fotosíntesis: por ejemplo, la cianobacteria Prochlorococcus, que representa más de la mitad de la fotosíntesis marina, no se descubrió hasta 1986.

Eponímicos

Una variedad de conceptos y fenómenos físicos con los que se asocia a Thomson se denominan Kelvin, entre ellos:

El monte Kelvin en la Cordillera Paparoa de Nueva Zelanda recibió su nombre del botánico William Trownson.

Honores

Estatua de Kelvin; Jardines Botánicos Belfast

• Fellow of the Royal Society of Edinburgh, 1847.
  • Keith Medal, 1864.
  • Gunning Victoria Premio Jubileo, 1887.
  • Presidente, 1873-1878, 1886-1890, 1895-1907.
• Extranjero de la Real Academia Sueca de Ciencias, 1851.
• Fellow of the Royal Society, 1851.
  • Medalla Real, 1856.
  • Medalla Copley, 1883.
  • Presidente, 1890-1895.
• Hon. Miembro del Royal College of Preceptors (College of Teachers), 1858.
• Hon. Member of the Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland, 1859.
• Caballero 1866.
• Comandante de la Orden Imperial de la Rosa (Brasil), 1873.
• Comandante de la Legión de Honor (Francia), 1881.
  • Gran Oficial de la Legión de Honor, 1889.
• Caballero de la Orden prusiana Pour le Mérite, 1884.
• Comandante de la Orden de Leopold (Bélgica), 1890.
• Barón Kelvin, de Largs en el Condado de Ayr, 1892. El título se deriva del río Kelvin, que corre por los terrenos de la Universidad de Glasgow. Su título murió con él, ya que fue sobrevivido por ni herederos ni relaciones estrechas.
  

  El memorial de William Thomson, Baron Kelvin en Kelvingrove Park junto a la Universidad de Glasgow
• Caballero Gran Cruz de la Orden Victoriana, 1896.
• Título honorario Doctor en derecho (LL.D.), Universidad de Yale, 5 de mayo de 1902.
• Uno de los primeros miembros de la Orden del Mérito, 1902.
• Privy Counsellor, 11 August 1902.
• Título honorario Doctor mathematicae de la Real Universidad de Frederick el 6 de septiembre de 1902, cuando celebraron el centenario del nacimiento del matemático Niels Henrik Abel.
• Primer receptor internacional de la Medalla John Fritz, 1905.
• Orden de la Primera Clase del Tesoro Sagrado de Japón, 1901.
• Está enterrado en Westminster Abbey, Londres junto a Isaac Newton.
• Lord Kelvin fue conmemorado en la nota de £20 emitida por el Banco Clydesdale en 1971; en el número actual de billetes, su imagen aparece en la nota de £100 del banco. Se muestra manteniendo su brújula ajustable y en el fondo es un mapa del cable transatlántico.
• En 2011 fue uno de los siete inductores inaugurales del Salón Escocés de la Fama.
• Día Mundial de la Refrigeración, es 26 de junio. Fue elegido para celebrar su fecha de nacimiento y se ha celebrado anualmente, desde 2019.

Brazos

Carne de armas de William Thomson, 1er Barón Kelvin

Notas Los brazos del Señor Kelvin consisten en: Crest Un brazo codo erecto, vestido azure, argente esposado, la mano agarrando cinco orejas de centeno apropiado. Escutcheon Argente, la cabeza de un ciervo de goles, en un jefe azul un trueno apropiado, alatado o, entre dos reveles del primero. Supporters En el lado de dexter un estudiante de la Universidad de Glasgow, habitó, sosteniendo en su mano de dexter un voltímetro marino, todo apropiado. En el lado siniestro un marinero, habitó, sosteniendo en la mano de dexter una bobina, la cuerda que pasa por el siniestro, y suspendió allí de un sinker de una máquina sonora, también todo lo correcto. Motto Honestidad sin miedo.

Fuentes citadas

• Lindley, D. (2004). Grados Kelvin: Un Tale de Genio, Invención y Tragedia. Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-09073-5.
• Sharlin, H.I. (1979). Señor Kelvin: El dinámico victoriano. Pennsylvania State University Press. ISBN 978-0-271-00203-3.