William Thomson lord Kelvin

26. 6. 1824–17. 12. 1907

William Thomson (později lord Kelvin) se narodil 26. června 1824 v Belfastu, tehdy součásti Spojeného království Velké Británie a Irska. Jeho otec James Thomson učil matematiku na Royal Belfast Academical Institution a v roce 1832 byl jmenován profesorem matematiky na univerzitě v Glasgow. Matka Margaret zemřela, když Williamovi bylo šest let, a otec se ujal vzdělávání svých sedmi dětí osobně. Williama učil moderní matematiku, kterou tehdy ještě britské univerzity nepřednášely. V deseti letech (1834) zapsal otec Williama spolu se staršim bratrem Jamesem na univerzitu v Glasgow; nešlo přitom o žádnou výjimku, ve Skotsku tehdy univerzity přijímaly mimořádně nadané chlapce již kolem desátého roku.

V sedmnácti letech (1841) přešel William Thomson na Peterhouse College univerzity v Cambridge. Vyrostl z něj všestranný student: kromě matematiky a fyziky vyhrál stříbrná vesla v univerzitním závodě jednotlivců a založil v Cambridge hudební společnost. V roce 1845 promoval jako Second Wrangler (druhý nejlepší ze své promoce v matematice) a získal prestižní Smithovu cenu. Část roku 1845 strávil v Paříži v laboratoři Henriho-Victora Regnaulta, kde se naučil experimentální fyzice. Ve dvaadvaceti letech (1846) byl zvolen profesorem přírodní filozofie (tehdejší název pro fyziku) na univerzitě v Glasgow; tuto stolici zastával nepřetržitě dalších 53 let, až do svého odchodu na odpočinek v roce 1899. Přesto, že dostával nabídky z Cambridge i dalších předních univerzit, Glasgow nikdy neopustil.

Absolutní teplotní stupnice (1848)

Nejtrvalejším Thomsonovým přínosem byl návrh absolutní teplotní stupnice, kterou v roce 1848 uveřejnil v článku On an Absolute Thermometric Scale founded on Carnot's Theory of the Motive Power of Heat. Stupnice vycházela ze Sadiho Carnotovy teorie tepelných strojů: výkon ideálního stroje závisí jen na teplotách zásobníků, nikoliv na druhu pracovní látky. Z toho Thomson odvodil, že lze definovat teplotu nezávisle na fyzikálních vlastnostech jakékoliv konkrétní termometrické látky. Spočítal také hodnotu absolutní nuly, tehdy nejnižší možné teploty, jako přibližně −273 °C (dnešní přesná hodnota je −273,15 °C).

Po Thomsonově povýšení do peerské šlechty v roce 1892 byla jeho stupnice oficiálně pojmenována Kelvinova stupnice. Při zavedení soustavy SI v roce 1960 se kelvin (K) stal základní jednotkou termodynamické teploty – je tedy jednou ze sedmi základních jednotek SI (velikost dílku je stejná jako u stupně Celsia, posunut je pouze počátek):

T [K] = t [°C] + 273,15

Od redefinice SI v roce 2019 je kelvin definován prostřednictvím pevně stanovené hodnoty Boltzmannovy konstanty k_B = 1,380 649·10⁻²³ J·K⁻¹.

Termodynamika

Mezi roky 1848 a 1852 Thomson přepracoval pojem tepla z tehdy převládající Carnotovy teorie tepelné tekutiny (caloricum) na pohyb molekul. Spolu s Jamesem P. Joulem a německými fyziky Rudolfem Clausiem a Hermannem Helmholtzem patří k hlavním tvůrcům klasické termodynamiky:

První zákon termodynamiky (zákon zachování energie)

Teplo a mechanická práce jsou dvě formy téže veličiny – energie. Jejich součet v izolované soustavě je konstantní.

Druhý zákon termodynamiky (Kelvinova-Planckova formulace, 1851)

Nelze sestrojit cyklicky pracující stroj, jehož jediným výsledkem by bylo přijímání tepla z jednoho zásobníku a úplná přeměna tohoto tepla na práci. Jinak řečeno: perpetuum mobile druhého druhu neexistuje. Rudolf Clausius ve stejné době formuloval ekvivalentní podmínku o růstu entropie izolované soustavy.

V roce 1852 Thomson z druhého zákona termodynamiky vyvodil i představu tepelné smrti vesmíru: užitečně dostupná energie ve vesmíru se postupně rozptyluje a klesá tak schopnost konat práci. Šlo o první kosmologickou aplikaci druhého zákona.

Joule-Thomsonův jev (1852)

Při společných experimentech v laboratoři ve Salfordu Joule a Thomson zjistili, že plyn protlačovaný přes porézní zátku z oblasti vyššího tlaku do nižšího se obvykle ochladí – bez výměny tepla s okolím a bez konání vnější mechanické práce. Joule-Thomsonův jev (také Joule-Kelvinův) je zásadní pro praktickou kryotechniku: dnes umožňuje zkapalňovat plyny (dusík, vodík, hélium) a stojí za fungováním kompresorových chladniček a klimatizačních jednotek. Po Kelvinovi byla pojmenována i americká značka domácích lednic Kelvinator.

Stáří Země a spor s Darwinem

Z předpokladu, že Země kdysi byla rozžhavená a od té doby chladne vedením tepla z nitra do povrchu, Thomson v letech 1862–1897 opakovaně vyčíslil stáří Země mezi 20 a 400 miliony let (postupně své odhady zpřísňoval). Tento výsledek byl v přímém rozporu s Darwinovou teorií evoluce přírodním výběrem, která vyžadovala mnohem delší časy. Thomson se proti darwinismu vymezoval poměrně ostře (Darwin sám o Kelvinovi mluvil jako o „odpudivém přízraku“).

Spor trval téměř půl století a rozřešil ho až objev radioaktivity (Henri Becquerel, 1896) a Ernest Rutherford – ukázalo se, že radioaktivní rozpad v zemské kůře a plášti dodává trvalý zdroj tepla, s nímž Thomsonův model nepočítal. Skutečné stáří Země, dnes určené z izotopových poměrů uranu, olova a dalších prvků, činí přibližně 4,54 miliardy let – tedy zhruba desetitisíckrát víc, než Thomson odhadoval. I tento jeho omyl byl ale svého času matematicky korektní a ukazuje sílu fyzikálních argumentů mimo jejich obor použitelnosti.

Thomson vynalezl mnoho přístrojů umožňujících telegrafii (zrcátkový galvanoměr a samočinný zapisovač telegrafických signálů).

Thomsonův elektroměr (Kelvinovy váhy) [17]

Thomsonův elektroměr (Kelvinovy váhy)

se skládají z rovinného kondensátoru, tvořeného dvěma kruhovými elektrodami, ze kterých je jedna pevná a izolovaná, druhá je mírně pohyblivá, vodivě zavěšená na rameně citlivých vah. Síla mezi elektrodami nabitého kondensátoru se měří postupným přidáváním závaží. Těsně po překročení rovnováhy se pohyblivá elektroda pohne a přeruší se obvod signální žárovky.

Elektrické napětí lze tímto přístrojem měřit pomocí neelektrických veličin:

U = SQR((2F_gd²)/(ε₀S))

SQR

druhá odmocnina výrazu v závorce

F_g

gravitační síla

d

vzdálenost

ε₀

permitivita vakua; ε₀ = 8,8541878 · 10⁻¹² F·m⁻¹ (tj. A²·s⁴·kg⁻¹·m⁻³)

S

plocha

Transatlantický kabel a telegrafie

Od roku 1854 se Thomson zajímal o problém přenosu telegrafních signálů po dlouhém podmořském kabelu. Spolu s americkým podnikatelem Cyrusem W. Fieldem a dalšími se účastnil několika pokusů o položení transatlantického telegrafního kabelu mezi Irskem (Valentia Island) a Newfoundlandem. Pro detekci nesmírně slabých signálů na konci tisíců kilometrů dlouhého kabelu Thomson vynalezl zrcátkový galvanometr (1858) a později sifónový zapisovač (siphon recorder), předchůdce inkoustové tiskárny.

První kabel z roku 1858 fungoval jen několik týdnů (poškodilo ho nadměrné napětí, kterým chtěl chief electrician E. Whitehouse zrychlit přenos). První oficiální telegram z Evropy do Ameriky tak 16. srpna 1858 byla zpráva královny Viktorie prezidentu Jamesi Buchananovi – 98 slov se přenášelo téměř 16 hodin. Trvale funkční transatlantická linka byla položena až v roce 1866 z paluby parníku Great Eastern, převážně s využitím Thomsonem navržených přístrojů a čistšího měděného vodiče. Za tento úspěch byl Thomson královnou Viktorií 10. listopadu 1866 pasován na rytíře (Sir William Thomson). Vynálezy přístrojů pro podmořskou telegrafii ho učinily majetným člověkem.

Do peerské šlechty byl William Thomson povýšen až o 26 let později, v roce 1892, za celoživotní dílo v termodynamice. Stal se 1. baronem Kelvinem z Largs (Lord Kelvin of Largs) a jako vůbec první vědec usedl ve Sněmovně lordů britského parlamentu. Titul si zvolil podle říčky Kelvin, která protéká kolem glasgowské univerzity v Hillheadu. Largs je městečko v Ayrshire, kde si později nechal postavit panské sídlo Netherhall.

Pozdní léta a ocenění

V roce 1851 byl Thomson zvolen členem Královské společnosti (Royal Society) v Londýně a v letech 1890–1895 jí předsedal. V roce 1883 obdržel Copleyho medaili, nejvyšší vědecké ocenění Royal Society. Stál také u zrodu první britské fyzikální laboratoře pro studenty – na univerzitě v Glasgow, kde poprvé v Británii zavedl praktickou výuku fyziky. V roce 1896 oslavila glasgowská univerzita jeho 50 let v profesorské funkci velkolepým jubileem za účasti hostů z celého světa. Thomson byl dvakrát ženatý: nejprve s Margaret Crumovou (1852–1870, bezdětně) a po jejím úmrtí s Frances Blandyovou (od 1874).

William Thomson lord Kelvin zemřel 17. prosince 1907 v Netherhall u Largs. Britské úřady ho pohřbily ve Westminsterském opatství v Londýně, kde leží vedle Isaaca Newtona a Charlese Darwina.

Thomsonův jev [17]

Thomsonův jev

vzniká po zahřátí kovové tyče, kterou neteče elektrický proud. V místě zahřátí vznikne symetrické teplotní maximum. Následně se pustí do tyče elektrický proud. Dojde k posunutí teplotní křivky.

Z pohledu teorie vodivosti je Thomsonův jev způsobený zvyšováním střední energie elektronů odběrem tepla od mřížky na vzestupné straně teplotního maxima a odevzdáváním přebytku tepla na sestupné straně.

Další informace

• William Thomson (Lord Kelvin) – University of St. Andrews
• Kelvin, Lord William Thomson (1824–1907) – Wolfram Research
• Thomsonův jev – Encyklopedie fyziky
• William Thomson, Baron Kelvin – Encyclopaedia Britannica
• Lord Kelvin – Wikipedia
• About William Thomson, Lord Kelvin – University of Glasgow