Шкала Кельвина
В 1848 году понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном, в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).
Это понятие было введено Томсоном на основании теоремы Карно, согласно которой все обратимые тепловые машины, где рабочее тело совершает круговой процесс между нагревателем с эмпирической температурой q1 и холодильником с эмпирической температурой q2, имеют одинаковый кпд h, независимо от природы рабочего тела
В настоящее время по международному соглашению принято, что абсолютная (термодинамическая) температура плавления воды при нормальном давлении равна 273,15К (точно). Абсолютный нуль температуры (или нулевая абсолютная температура) имеют ясный физический смысл как температура холодильника в цикле Карно, при которой кпд тепловой машины h = 1. Тело, находящееся при нулевой температуре, не способно передавать теплоту другому телу. Единица измерения абсолютной температуры в системе СИ — градус Кельвина (Кельвин, К).
Таким образом:
Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273.15 °C (точно).
Шкала температур Кельвина — это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.
Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур.
Термодинамика
С 1849 года начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (1824), для того, чтобы принцип согласовался с современными данными. «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». Так в формулировке Томсона звучит второе начало термодинамики, великий постулат, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Это начало запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая невозможность перехода всей внутренней энергии системы в полезную работу. Однако, совершая работу, можно добиться того, чтобы тепло перешло от менее нагретого тела к более нагретому. В этом состоит принцип предложенного в 1852 г. Томсоном теплового насоса, который он назвал «умножителем тепла». В наши дни тепловые насосы широко применяются и в быту, и в промышленности. Например, в Японии эксплуатируется около 3 млн таких установок, а в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.
Электричество
Томсон широко применял термодинамику для объяснения и предсказания новых эффектов. В 1855 он начинает исследования явлений, называемых термоэлектрическими, и строит их термодинамическую теорию. Уже сам этот термин говорит о переплетении тепловых и электрических эффектов. Некоторые из таких явлений уже были известны ранее, но были открыты и новые.
Один из таких эффектов даже был назван в честь Томсона. Он состоит в выделении или поглощении тепла при пропускании электрического тока через участки проводника, в которых имеются неоднородности температуры. Уместно подчеркнуть, что это открытие произошло задолго до того, как была понята «микроскопическая» природа электрического тока, до появления электронной теории, позволившей дать термоэлектрическим явлениям наглядное истолкование.
К работам по термоэлектричеству Томсон привлекал и студентов, что потребовало создания первой (в университете в Глазго, да и во всех других университетах) учебно-научной лаборатории. Исследования по электричеству приобрели особую актуальность после появления трансатлантического кабеля. В его работе проявились дефекты, понять и устранить причины которых без вмешательства ученых не удавалось. Томсон построил теории распространения электрических импульсов по проводам. Он первым, являясь крупнейшим специалистом по электромагнетизму, понял, какую роль играет не только сопротивление проводов, но и индуктивность и электрическая емкость всей цепи.
Изобретения
Томсон вообще много занимался прикладными вопросами физики и проблемами экспериментальной техники. Ему принадлежит изобретение и усовершенствование таких приборов как зеркальный гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометр и др. Его преподавательская деятельность, его книги и статьи (в частности, «Электричество» и «Теплота» в Британской энциклопедии) воспитали несколько поколений физиков и инженеров во многих странах.
Будучи признанным авторитетом в области термодинамики, Кельвин оказался причастным и к становлению молекулярно-кинетической теории. Важное место в этой теории занимает величина N, именуемая числом Авогадро — число молекул в одном моле вещества. Один из путей ее экспериментального определения связан с проблемой голубого цвета неба — проблеме рассеяния света в атмосфере.
Теоретическое исследование Рэлея привело к формуле, в которую входило N. Для его определения требовались наблюдения в горах, и после того как они были проведены группой альпинистов в Альпах в 1910 Кельвин провел нужные вычисления. Полученная оценка оказалась не очень точной (отчасти из-за плохой погоды во время измерений), но она была весьма интересной в научном отношении.
Лорд Кельвин не чурался и узко прикладных задач. Так, в числе многих других, он получил и патент на изобретение оригинального водопроводного крана.
Публикации
Из книг, изданных Томсоном, наибольшей известностью пользуется «Treatise on natural philosophy» (т. 1, вместе с Тэтот, 3-е изд. в 1883 году, немец. перев. под ред. Гельмгольца), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики.
Статьи Томсона перепечатаны в его «Reprints of papers on electrostatic and magnetism» (1872), «Mathematical and physical papers» (1882-1883) и «Popular lectures and adresses».
В «Encyclopedia Britannica» (1880) помещены две статьи Томсона — «Elasticity» и «Heat».
Интересные факты
Холодильник
Много ли Вы знаете имён из школьного учебника физики, в честь которых названа не только единица измерения, но и бренд бытовой техники? Торговая марка Kelvinator (сегодня она принадлежит концерну Electrolux) многие годы лидировала на рынке бытовой техники США: под этим брендом были выпущены первый в мире моноблочный холодильник, первый бытовой двухдверный холодильник, первый холодильник с раздельными температурными зонами, первый холодильник Side-by-side.
Кабель через океан
Прикладные работы Томсона принесли ему не меньшую славу, чем фундаментальные труды. В качестве научного консультанта и члена совета директоров Atlantic Telegraph Company он был привлечен к проекту прокладки первого телеграфного кабеля между Старым и Новым Светом. Линия связи длиной 3000 миль, проложенная в 1857 г., проработала всего пару недель, после чего вышла из строя.Томсону удалось разобраться в физике передачи сигнала по столь длинной линии и понять причину потери его высокочастотной составляющей. Второй многожильный кабель, совершенствованный по его указаниям, был проложен через океан в 1865 г. и прослужил несколько десятилетий.
Наряду с другими участниками проекта в ноябре 1862 г. Томсон в возрасте 42 лет был посвящен в рыцари и был возведён в звание лорда Великобритании. По обычаю к титулу лорда полагалось новое имя. Его выбрал сам Томсон и стал лордом Кельвином (по названию речки, на которой стоял его университет). Такое переименование, однако, стало известно не очень большому кругу общественности и иногда приводило к конфузным ситуациям. Многие газетчики на свой лад преподносили уникальные открытия и изобретения новоиспечённого лорда. Один из британских журналов, стремясь восстановить справедливость, опубликовал заметку следующего содержания: «Какому-то бессовестному пройдохе, Кельвину, приписали открытие точных гальванометров, хотя всему миру известно, что эти замечательные приборы изобрёл Уильям Томсон».
Томсон месяцами находился в море, участвуя в осуществлении проекта, и с энтузиазмом подробно вникал в практические вопросы. Участие в проекте было плодотворным для него как ученого-практика.
Он разработал передовую для своего времени конструкцию морского компаса, в котором компенсировался магнетизм стального корпуса судна, и ряд других приборов (эхолот, «кабельный» гальванометр, сифон-отметчик для приема телеграфных сигналов)
Король физики
Портрет лорда Кельвина красуется на банкноте самого крупного номинала – 100 фунтов стерлингов – выпущенной Клайдсдальским банком. Эта купюра имеет хождение наравне с любой другой банкнотой Соединенного Королевства, правда, только в Шотландии.
Находчивость
До конца своих дней лорд Кельвин сохранял ясность ума и чувство находчивости. Однажды он вынужден был отменить лекцию и написал на доске: «Professor Thomson will not meet his classes today» (Профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими классами). Обрадованные студенты решили подшутить над ним и в слове classes стёрли первую букву. Осталось lasses, что в переводе означает любовницы. На следующий день Томсон, увидев надпись, страшно возмутился и отказался читать лекцию. Но прежде, чем уйти, в том же слове стёр ещё одну букву. Осталось (asses – ослы), что означало «профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими ослами».