William Thomson (Lord Kelvin)

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

William Thomson
Lord Kelvin
Naissance
Belfast, Irlande (île) ( Royaume-Uni de Grande-Bretagne et d'Irlande)
Décès
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 »

Pour les articles homonymes, voir Thomson, William Thomson et Kelvin (homonymie).

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, énoncé pour la première fois par Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, 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 s'appuie sur le refroidissement de la Terre et sur le gradient de température constaté dans les profondeurs, donnant 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 :

L'astéroïde (8003) Kelvin a été nommé en son honneur.

Références
  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, 196e conférence de l’Université de tous les savoirs, 14 juillet 2000.
  6. (en) « Whitehall, February 23, 1892 », The London Gazette, no 26260,‎ , p. 991, col. 1 (lire en ligne).

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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