William Thomson (Lord Kelvin)

William Thomson, mieux connu sous le nom de Lord Kelvin (Belfast, 26 juin 1824 - Largs, 17 décembre 1907), 1^er baron Kelvin, est un physicien britannique d'origine irlandaise reconnu pour ses travaux en thermodynamique.

William Thomson

Lord Kelvin

Données clés
Naissance	26 juin 1824 Belfast, Irlande (île) ( Royaume-Uni de Grande-Bretagne et d'Irlande)
Décès	17 décembre 1907 Largs, Écosse ( Royaume-Uni de Grande-Bretagne et d'Irlande)
Nationalité	Britannique
Domaines	physicien
Institutions	Université de Glasgow, Écosse
Diplôme	Royal Belfast Academical Institution (en) Université de Glasgow Peterhouse
Renommé pour	Effet Joule-Thomson Thomson effect (thermoelectric) Galvanomètre à miroir (en) Enregistreur à siphon (en) Modèle de Kelvin-Voigt Générateur électrostatique de Kelvin Onde de Kelvin Instabilité de Kelvin-Helmholtz Mécanisme de Kelvin-Helmholtz Luminosité de Kelvin–Helmholtz Transformée de Kelvin (en) Fonction de Kelvin-Bessel Zéro absolu Théorème de Kelvin Théorème de Stokes Pont de Kelvin (en) Mesure 4 pointes Équation de Kelvin Diviseur de Kelvin-Varley (en) Magnétorésistance Le terme « énergie cinétique »

Une des innovations de Kelvin est l'introduction d'un « zéro absolu » correspondant à l'absence absolue d'agitation thermique et de pression d'un gaz, dont il avait remarqué les variations liées selon un rapport linéaire. Il a laissé son nom à l'échelle de température, dite absolue, ou température « thermodynamique », mesurée en kelvins.

Son titre de Lord Kelvin fait référence à la rivière du même nom, qui coule à proximité de son laboratoire à l'université de Glasgow.

Travaux et recherches

Deuxième principe de la thermodynamique

Statue de Lord Kelvin, 'Botanic Gardens', Belfast

Le deuxième principe de la thermodynamique possède un énoncé historique, dit de Thomson :

« Soit un cycle monotherme. Il ne peut être moteur. »

Cela interdisait l'hypothèse des moteurs perpétuels de deuxième espèce, dont l'image classique présentée aux étudiants est la suivante : la mer à 15 °C est un réservoir potentiel d'énergie fantastique, si on pouvait en tirer un travail : un navire avancerait ainsi, laissant derrière lui un sillage d'eau plus froide. Mais cela est interdit en vertu de ce deuxième principe.

Électricité

Ces mêmes études lui permirent d'étudier la conduction électrique des câbles sous-marins : il est promoteur de la grande construction du premier câble transatlantique. En revanche, il se heurta aux études de Maxwell sur l'éther : il se refusait à l'idée d'une propagation « transverse », sans propagation « longitudinale », dans ce milieu. Son étude de l'influence de la température sur la conduction électrique lui permit également de découvrir l'effet Thomson, ainsi que la relation entre l'effet Peltier et l'effet Seebeck, à la base de la thermoélectricité.

Il est également l'inventeur d'un mécanisme simple et bon marché de production d'électricité statique par influence, nommé le Replenisher[1].

Mécanique

Calculateur mécanique de 1878

On retrouve sa trace dans nombre de théorèmes dits de Thomson, où le théorème de Stokes intervient. Ses mémoires contribueront beaucoup à l'épuration de la théorie des vortex, dont sortira, comme un joyau, l'analyse vectorielle de Gibbs (1839-1903) : les vecteurs sont si familiers de nos jours que cela est un peu occulté.

Atomiste, il eut une vision originale de la théorie des atomes à base de nœuds, vortex et quaternions, théorie remarquable, mais sans issue.

Il a aussi construit un des premiers calculateurs analogiques, un prédicteur de marées mécanique appliquant les principes de l'analyse harmonique[2].

Âge de la Terre

Ses études de la conduction thermique lui firent trouver, vers les années 1850, un temps de refroidissement de la Terre qui, sans conforter les études bibliques, était néanmoins incompatible avec les travaux de Charles Lyell (1797-1875), fondateur des « couches géologiques ». En effet, la théorie de Lyell suggère que la Terre a été façonnée lentement sur une très longue période de temps par des forces toujours existantes. Or, Lord Kelvin aboutit à un temps bien trop court pour être en accord avec les travaux de Lyell. De ce fait, il fut mal considéré par les pro-darwiniens.

Lord Kelvin a prédit que l'âge de la Terre était proche de celui du Soleil et ne pouvait pas être supérieur à l'âge du Soleil. Lors de son calcul de l'âge du Soleil[3], Kelvin émet l'hypothèse d'une « source (d'énergie) inconnue à ce jour », il n'ignorait pas les travaux de Lyell (et Darwin), et ajoute cette hypothèse pour accorder ses calculs aux travaux de Lyell. Il prédit donc l'énergie nucléaire. Son calcul est correct (20 millions d'années et maximum 500 millions d'années), mais incomplet, car sans l'énergie nucléaire qui est inconnue à son époque.

Son calcul de l'âge de la terre est basé sur le refroidissement de la Terre et sur le gradient de température constaté dans les profondeurs, donnent une fourchette se situant entre 24 et 400 millions d'années. Ayant un maximum de 500 millions d'années (âge du Soleil), cet âge de la terre semblait cohérent pour Lord Kelvin. La différence pour l'âge de la Terre est due au transfert thermique interne dans le manteau par convection, alors que Kelvin avait présumé un transfert de chaleur par conduction thermique[4]^,[5].

Distinctions

Il a été distingué pour être titulaire des décorations ou prix scientifiques, ou membre des conseils ou sociétés savantes qui suivent :

titulaire de l'ordre du Mérite (Royaume-Uni), de l'ordre royal de Victoria,
membre du Conseil privé du Royaume-Uni,
baron Kelvin, de Largs dans le comté d'Ayr (« Baron Kelvin, of Largs, in the county of Ay »), en 1892[6],
membre de la Royal Society, qu'il préside de 1890 à 1895,
lauréat de la Royal Medal en 1856, de la médaille Copley en 1883,
membre de la Royal Society of Edinburgh (FRSE).
(8003) Kelvin, astéroïde.

Références

Schéma de principe du replenisher
Franck Greenaway, « William Thomson, lord Kelvin », sur Encyclopædia Universalis
Ouvrage publié chez Messrs. Macmillan and Co. p. 368.
England P, Molnar P, Richter F, Kelvin, Perry et l'âge de la terre, Pour la Science, février 2008, p. 32-37, traduit d'un article d'American Scientist
Jean-Louis Le Mouël, Le refroidissement de la Terre, 196^e conférence de l’Université de tous les savoirs, 14 juillet 2000
(en) « Whitehall, February 23, 1892 », The London Gazette, n^o 26260,‎ 23 fév. 1892, p. 991, col. 1 (lire en ligne)

Voir aussi

Articles connexes

Replenisher
Kelvinator, une compagnie de réfrigérateurs nommée en son honneur
Sillage de Kelvin
Générateur électrostatique de Kelvin
Kelvin, zone non incorporée américaine du Dakota du Nord, a été nommée en son honneur.
Hayyim Selig Slonimski (en) (1810-1904)

Liens externes

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[1] Schéma de principe du replenisher

[2] Franck Greenaway, « William Thomson, lord Kelvin », sur Encyclopædia Universalis

[3] Ouvrage publié chez Messrs. Macmillan and Co. p. 368.

[4] England P, Molnar P, Richter F, Kelvin, Perry et l'âge de la terre, Pour la Science, février 2008, p. 32-37, traduit d'un article d'American Scientist

[5] Jean-Louis Le Mouël, Le refroidissement de la Terre, 196^e conférence de l’Université de tous les savoirs, 14 juillet 2000

[6] (en) « Whitehall, February 23, 1892 », The London Gazette, n^o 26260,‎ 23 fév. 1892, p. 991, col. 1 (lire en ligne)