Лорд Кельвин – теоретик и практик
Рисунок:
Robert Charles Dudley, metmuseum.org
Двести лет назад, 26 июня 1824 года, в Белфасте в семье математика Джеймса Томсона родился сын Уильям – будущий лорд Кельвин, один основоположников термодинамики.
Как свидетельствует история, 53 года (более половины века!) Кельвин преподавал в университете Глазго, занимая там должность профессора натурфилософии, то есть естественной философии, и возглавляя одноимённую кафедру. В некоторых публикациях (в частности, в статьях русскоязычной и германоязычной Википедии) используется осовремененная терминология - не «натурфилософия», а «теоретическая физика». Но когда молодой Уильям Томсон впервые надел профессорскую мантию, физики в её классическом виде ещё не существовало. Её оформление как научной дисциплины – во многом заслуга Томсона.
Энергия
Ключевая роль здесь принадлежит «Трактату о натурфилософии», написанному им в 1861–1867 годах совместно с Питером Тейтом, заведовавшим аналогичной кафедрой в Эдинбургском университете. Трактат был задуман как учебник и впоследствии успешно использовался при подготовке студентов; из запланированных четырёх томов вышел только первый, посвящённый механическому движению, но уже в нём формулировались фундаментальные законы, управляющие всеми явлениями материального мира. «Эта работа, – говорится в статье о Тейте 1912 года в Оксфордском национальном биографическом словаре, – открыла новую эпоху и произвела революцию в развитии науки. Впервые Т и T', как называли себя авторы (Т относилось к Томсону, который был старшим из двух соавторов, T' – к Тейту), проследили начиная с Ньютона концепцию "сохранения энергии", которая в то время только получала признание среди физиков, и показали раз и навсегда, что "энергия" – это фундаментальное физическое понятие, а "сохранение" – её основное свойство, определяющее всё остальное». Термины «кинетическая энергия» и «потенциальная энергия», ставшие общепринятыми благодаря Трактату о натурфилософии, появились в начале 1850-х: первый ввёл Томсон, второй – Уильям Ренкин, вошедший в историю науки как один из создателей термодинамики (наряду с Кельвином и Рудольфом Клаузиусом) и автор первого учебника по ней. Ренкин предлагал кинетическую энергию в противовес потенциальной назвать «актуальной», но «Т и T'» этим названием не воспользовались.
Перейдём к тепловой энергии. Томсон в 1854 году дал первое определение термодинамики, согласно которому её предметом являются «отношение теплоты к силам, действующим между соприкасающимися частями тел, и отношение теплоты к электрическим силам», и ещё до того, в 1849-м, употребил прилагательное «термодинамический» (thermo-dynamic). В 1851-м он сформулировал в двух вариантах второе начало термодинамики (ещё один вариант параллельно предложил Рудольф Клаузиус) и высказал мысль о неизбежной тепловой смерти Вселенной (несколько позже к аналогичному выводу пришёл и Клаузиус).
Вплоть до конца 1840-х Томсон находился под сильным влиянием классической теории тепловых машин Сади Карно и Эмиля Клапейрона, то есть принимал теорию теплорода, отрицавшую переход теплоты в механическую работу. Пересмотреть свои взгляды ему помогло общение – преимущественно по переписке – с Джеймсом Джоулем. Джоуль жил в районе Манчестера, был предпринимателем, а наукой занимался как полезным хобби, связанным с производством: на его заводе стояли машины, для которых ему хотелось рассчитать оптимальные режимы. Исследователи нашли друг друга – каждый делал то, что умел лучше. Джоуль в своей лаборатории при заводе проводил эксперименты и пересылал результаты Томсону, тот анализировал данные и предлагал дальнейшие шаги. Так был открыт, в частности, эффект Джоуля – Томсона, он же эффект Джоуля – Кельвина или Кельвина – Джоуля (изменение температуры газа либо жидкости при медленном протекании сквозь пористую перегородку под действием постоянного перепада давлений), а вся совокупность полученных результатов повлияла на признание кинетической теории теплоты научным сообществом.
(фото: Van Leest Antiques)
Свою абсолютную температурную шкалу, не привязанную к физическим свойствам конкретных веществ (мы знаем её как шкалу Кельвина), Томсон предложил в 1848 году, ещё оставаясь в рамках теории теплорода. Требовалось, чтобы «единица теплоты, передаваемая от тела A с температурой T° по этой шкале телу B с температурой (T–1)°, производила один и тот же механический эффект [работу] при любом значении T». Для калибровки шкалы учёный воспользовался опубликованными данными, полученными в знаменитой лаборатории Анри Реньо в Париже, и весьма точно определил значение абсолютного нуля. Существование температуры, при которой дальнейшая теплопередача невозможна, постулировалось и раньше, но с иными оценками; у Томсона получилось –273,15 °C.
Трансатлантический кабель
Если говорить об электричестве, то с ним был связан самый грандиозный проект в карьере Томсона - прокладка трансатлантического телеграфного кабеля между Ирландией и Ньюфаундлендом. Это был случай, когда для решения практической задачи требуются новые теоретические исследования. Томсон вошёл в проект, предложив формулу зависимости скорости передачи информации от параметров кабеля. После первого обрыва кабеля он сделал расчёт механических напряжений, возникающих при спуске кабеля в воду с движущегося корабля; убедил совет директоров использовать кабель с более чистой медью, чем была в утраченной части; разработал измерительные приборы, улавливающие очень слабые сигналы, – зеркальный гальванометр и сифонный самописец.
для трансатлантической линии телеграфа
(фото: Королевский музей Гринвича)
Когда в июне 1858 года судно-кабелеукладчик «Грейт-Истерн» из-за сильного шторма было вынуждено вернуться в порт, Томсон был одним из немногих участников проекта, кто не упал духом и настаивал на продолжении работы. В августе прокладка кабеля завершилась, королева Виктория и президент США Джеймс Бьюкенен обменялись приветственными телеграммами, но качество связи начало снижаться, а через три недели из-за ошибки инженера, пытавшегося исправить положение дел, линия необратимо вышла из строя. Расследование инцидента продолжалось пять лет, но в итоге проект получил второй шанс, а затем, после неудачной попытки 1865 года, – и третий. Морская экспедиция 1866 года увенчалась двойным успехом: новую кабельную линию проложили за две недели, а вскоре восстановили и довели до места назначения ту линию, которую пришлось бросить годом раньше. Публика по обе стороны океана чествовала создателей трансатлантического телеграфа, а 10 ноября 1866 года королева посвятила их в рыцари. Так Уильям Томсон стал сэром Уильямом.
О титуле
Титул барона Кельвина, пожалованный Томсону королевой Викторией в 1892 году, произведён от названия реки Кельвин, протекающей под стенами университета Глазго, и трудно представить себе более удачный выбор. Правда, делая Томсона пэром, королева Виктория вознаграждала его не только за научную, но и за политическую деятельность (он выступал против попыток Ирландии добиться самоуправления), однако как бы то ни было, сегодня мы помним Кельвина как великого учёного и талантливого инженера.
