Kelvin

WILLIAM THOMSON, der spätere LORD KELVIN, lebte in einer Zeit, in der die klassische Physik große Fortschritte erzielte und sich die Großindustrie zu entwickeln begann. Wissenschaftler wie OERSTED, AMPÈRE und FARADAY hatten die Grundlagen der Elektrizitätslehre erforscht. Mitte des 19. Jahrhunderts wurde von JOULE, MAYER und HELMHOLTZ der Energieerhaltungssatz formuliert. BOYLE und GAY-LUSSAC hatten wichtige Gasgesetze gefunden. WATT entwickelte die Dampfmaschine, SIEMENS entdeckte mit dem dynamoelektrischen Prinzip die Grundlage für die Konstruktion von Generatoren. Das gesellschaftliche Leben war dadurch gekennzeichnet, dass sich in Europa immer stärker Nationalstaaten herausbildeten. So wurde z. B. 1871 das Deutsche Reich gegründet.
In dieser Zeit der stürmischen Entwicklung von Wissenschaft und Industrie leistete WILLIAM THOMSON wichtige Beiträge zur Entwicklung der Thermodynamik und zur Untersuchung der elektromagnetischen Schwingungen und Wellen.

Leben und Wirken
WILLIAM THOMSON wurde am 26. Juni 1824 als Sohn eines Mathematiklehrers und späteren Mathematikprofessors in Belfast (Irland) geboren. Als er 6 Jahre alt war, starb seine Mutter. Sein Vater unterrichtete seine Söhne selbst und erreichte, dass sie im Alter von noch nicht einmal 10 Jahren Vorlesungen an der Universität folgen konnten. Zu Hause bauten die Kinder Experimentiergeräte nach.

Mit 10 Jahren wurde WILLIAM THOMSON an der Universität in Glasgow immatrikuliert und absolvierte dann von 1841 bis 1845 ein Studium am College in Cambridge. Trotz des intensiven Studiums war er auch ein erfolgreicher Ruderer und musizierte gern. Schon in dieser Zeit verfasste er erste Artikel, z. B. "Über die Gestalt der Erde". Darüber hinaus beschäftigte er sich mit elektrischen und magnetischen Feldern.

1846 vervollständigte er seine Kenntnisse in Paris und übernahm 1846 mit 22 Jahren den Lehrstuhl für Physik an der Universität in Glasgow, den er bis 1895 innehatte.
In Glasgow richtete er einen Weinkeller als Physiklabor ein. Das war eines der ersten Physiklabors der Welt. Außerdem gründete er gemeinsam mit einem Mechaniker eine Fabrik für wissenschaftlich-technische Geräte. Teilweise beschäftigte er sich in den folgenden Jahren mit physikalischer Grundlagenforschung, teilweise mit der technischen Nutzung physikalischer Erkenntnisse.

Etwa ab 1845 war einer seiner Arbeitsschwerpunkte die Thermodynamik und insbesondere der Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärme. 1848 entwickelte er eine Temperaturskala, die von der tiefstmöglichen Temperatur ausging. Sie wird als Kelvin-Skala oder auch als absolute Temperaturskala bezeichnet. Unabhängig von ROBERT CLAUSIUS formulierte er den zweiten Hauptsatz der Wärmelehre.

1856 wurde THOMSON Direktor des Atlantikkabelunternehmens, das sich zum Ziel gesetzt hatte, ein Fernmeldekabel zwischen Europa und Amerika durch den Atlantik hindurch zu installieren. Die letzte von vier Kabelverlegungen, die zwischen 1858 und 1866 erfolgten, war erfolgreich.

THOMSON beschäftigte sich auch intensiv mit elektromagnetischen Schwingungen. Nach 1870 erzielte er keine allerdings keine bedeutenden wissenschaftlichen Entdeckungen mehr. Für seine Lebensleistung wurde er 1892 geadelt und nannte sich seitdem LORD KELVIN OF LARGS. Den Namen KELVIN wählte er nach einem kleinen Fluss, der durch seinen Wohnort Largs in Schottland fließt.
LORD KELVIN starb am 17. 12. 1907 in Netherhall (Largs bei Glasgow). Sein Grab befindet sich in der Londoner Westminster Abbey neben dem Grab von ISAAC NEWTON.

Wissenschaftliche Leistungen
Die Tätigkeit von WILLIAM THOMSON umfasst sowohl Grundlagenforschung in verschiedenen Teilgebieten der Physik als auch Anwendungsforschung für die sich schnell entwickelnde Industrie.

Ein erstes großes Arbeitsgebiet war die Grundlagenforschung in der Wärmelehre (Thermodynamik). Um 1848 entwickelte er eine Temperaturskala, die als Fixpunkt die tiefstmögliche Temperatur aufweist. Aus theoretischen Überlegungen schlussfolgerte THOMSON, dass diese Temperatur -273,15 °C betragen müsse. Sie wird als absoluter Nullpunkt, die davon ausgehende Temperaturskala als absolute Temperaturskala und die betreffende Temperatur als absolute Temperatur bezeichnet. Zu Ehren von LORD KELVIN wird die absolute Temperatur heute in der Einheit Kelvin (Abkürzung: K, nicht Grad Kelvin) angegeben. Da THOMSON die Gradeinteilung von der Celsius-Skala übernahm, ergeben sich besonders einfache Beziehungen zwischen diesen beiden Temperaturskalen (Bild 2). Es gilt:

Allgemein gilt für den Zusammenhang zwischen der Celsius-Skala und der Kelvin-Skala die Beziehung:

Um 1850 formulierte THOMSON unabhängig von CLAUSIUS
den 2. Hauptsatz der Wärmelehre. Beide dehnten ihn auf das Universum aus.
Gemeinsam mit seinem Freund JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889) beschäftigte er sich mit Wärmekraftmaschinen und deren Arbeitsvermögen. Dazu führte er in einer wissenschaftlichen Arbeit aus:

Bei den Maschinen der Praxis, in denen wir mithilfe der Wärme mechanische Arbeit gewinnen wollen, haben wir die Quelle der Kraft nicht in der Absorption oder Umwandlung der Wärme zu suchen, sondern nur im Überströmen der Wärme... die Umwandlung der Wärme in Arbeit ist nach aller Wahrscheinlichkeit unmöglich, zumindest bisher noch nicht entdeckt worden.
(Fußnote): Diese Ansicht wird im wesentlichen einheitlich von allen vertreten, die bisher über das Thema geschrieben haben. Es gibt jedoch auch eine gegenteilige Meinung: die des Herrn Joule aus Manchester. Dieser hat mit magnetoelektrischen Maschinen Versuche durchgeführt, die wie es scheint - darauf schließen lassen, daß sich mechanische Arbeit tatsächlich in Wärme umgewandelt hat. (Aus: W. Thomson, Über eine allgemeine Tendenz in der Natur zur Dissipation mechanischer Energie, Edinburgh 1852)

Nach 1850 beschäftigte sich THOMSON auch intensiver mit elektromagnetischen Schwingungen. 1853 entwickelte er eine Theorie elektromagnetischer Schwingungen und fand eine Gleichung zur Berechnung der Schwingungsdauer einer elektromagnetischen Schwingung in einem Schwingkreis. Sie wird heute als thomsonsche Schwingungsgleichung bezeichnet. Im Zusammenhang mit diesen Arbeiten kam er mit der sich schnell entwickelnden Telegrafenindustrie in Verbindung. 1851 war das erste Seekabel zwischen dem englischen Dover und dem französischen Calais verlegt worden. Nun war ein Kabel durch den Atlantik geplant. Als einer der Direktoren des 1856 gegründeten Atlantikkabelunternehmens beaufsichtigte er nicht nur Kabelverlegungen, sondern machte auch zahlreiche Vorschläge für technische Verbesserungen. Dazu zählten die Verwendung von reinerem Kupfer für die Kabel, die ständige Funktionsprüfung während der Verlegung durch ein von ihm konstruiertes Messgerät und die Entwicklung eines sehr empfindlichen Telegrafen für den Dauerbetrieb. Nach drei erfolglosen Versuchen konnte erst mit einem 1866 unter Leitung von THOMSON verlegten Kabels ein ständiger Telegrafenverkehr über den Atlantik hinweg realisiert werden. Die Telegrafengesellschaft erzielte dabei einen erheblichen Gewinn: 25 Wörter kosteten etwa 100 englische Pfund.

Die Grundeinstellung von THOMSON zum Verhältnis von Theorie und Praxis spiegelt sich in folgenden Worten wieder:

"Das Leben und die Seele der Wissenschaft ist ihre praktische Anwendung"

In seinen letzten Lebensjahren beschäftigte sich LORD KELVIN mit unterschiedlichen wissenschaftlichen Problemen, konnte aber keine größeren wissenschaftlichen Erfolge mehr erzielen. Unter anderem entwickelte er ein einfaches Atommodell. Zugleich blieb er aber in Auffassungen verhaftet, die von der wissenschaftlichen Entwicklung des beginnenden 20. Jahrhunderts als überholt erkannt wurden. Dazu gehörten die Auffassungen von der Existenz eines "Wärmestoffes" oder die von der Existenz eines "Lichtäthers".