All'Università di Glasgow compì importanti lavori nell'analisi matematica dell'elettricità e della termodinamica, e diede un ampio contributo per unificare l'emergente disciplina della fisica nella sua forma moderna. È conosciuto per aver sviluppato la scala Kelvin, che misura la temperatura assoluta. Il titolo di Barone Kelvin gli fu conferito per merito delle sue scoperte, e deriva dal fiume Kelvin, che scorre presso la sua università scozzese di Glasgow. In seguito fece carriera come ingegnere e inventore del telegrafo elettrico, che gli procurò una maggiore considerazione da parte dell'opinione pubblica e gli assicurò fama e ricchezza.
Gioventù e studi Famiglia L'identità della madre di William Thomson non è nota. Ella morì quando il figlio aveva solo sei anni. Suo padre, Dr. James Thomson, figlio di un contadino, era un professore di matematica e ingegneria alla Royal Belfast Academical Institution. James ricevette una limitata istruzione giovanile in Ulster; a 24 anni, incominciò per sei mesi a studiare all'Università di Glasgow, in Scozia, mentre per il resto dell'anno lavorava come insegnante a Belfast. Dopo la laurea diventò professore di matematica. Dal matrimonio di James con Margaret Gardner del 1817, solo 4 maschi e 2 femmine, tra i loro bambini, sopravvissero all'infanzia.
William e suo fratello maggiore James furono cresciuti a casa dal padre mentre i fratelli più giovani furono cresciuti dalle sorelle maggiori. James era destinato a ricevere la maggior parte dell'incoraggiamento, dell'affetto e dell'appoggio finanziario del padre e fu preparato per una brillante carriera in ingegneria. Tuttavia, da bambino James era molto cagionevole e si dimostrò inadatto a una serie di tirocini, i quali dettero esiti fallimentari. William diventò presto il prediletto del padre.
Nel 1832, suo padre fu nominato professore di matematica a Glasgow e la famiglia vi si trasferì nell'ottobre dell'anno seguente. I ragazzi vennero introdotti a un'esperienza cosmopolita molto più ampia rispetto all'educazione del loro padre, trascorrendo l'estate del 1839 a Londra e studiando francese a Parigi. Trascorsero l'estate del 1840 in Germania e nei Paesi Bassi. Allo studio delle lingue venne data un'alta priorità.
Giovinezza William ebbe problemi cardiaci e rischiò di morire quando aveva 9 anni. Frequentò la Royal Belfast Academical Institution, dove il padre era professore nel dipartimento universitario, prima di cominciare gli studi all'Università di Glasgow nel 1834, all'età di 10 anni, mostrando un'intelligenza precoce; l'Università fornì tutti gli strumenti di una scuola elementare per allievi abili e questa era una comune età d'ammissione. Nel 1839, John Pringle Nichol, professore di astronomia, prese la cattedra di filosofia naturale. Nichol rinnovò il programma, introducendo i nuovi studi matematici di Jean Baptiste Joseph Fourier. La trattazione matematica impressionò molto William.
Nell'anno accademico 1839-1840, Thomson vinse il premio di classe in astronomia per il suo Essay on the figure of the Earth con il quale mostrò una precoce abilità e creatività per l'analisi matematica. Durante la sua vita avrebbe lavorato su problemi contenuti nel saggio per superare momenti di stress personale.
Thomson fu affascinato dalla Théorie analytique de la chaleur di Fourier e si dedicò allo studio della matematica "continentale" avversata dall'establishment britannico che lavorava ancora seguendo le orme di Isaac Newton. Prevedibilmente, l'opera di Fourier era stata attaccata dai matematici britannici, tra cui Philip Kelland, che scrisse un libro critico. Questo librò motivò Thomson a scrivere, in difesa di Fourier, il suo primo lavoro scientificoP.Q.R (1841) "On Fourier's expansions of functions in trigonometric series" Cambridge Mathematical Journal 2, 258-259 sotto lo pseudonimo P.Q.R., che fu spedito al Cambridge Mathematical Journal da suo padre; Un secondo articolo di P.Q.R. seguì quasi immediatamente.P.Q.R (1841) "Note on a passage in Fourier's 'Heat'" Cambridge Mathematical Journal 3, 25-27
Mentre era in vacanza con la famiglia a Lamlash nel 1841, scrisse un terzo e più sostanziale articolo firmato P.Q.R. Sul moto uniforme del calore in corpi solidi omogenei, e sua connessione con la teoria matematica dell'elettricità.P.Q.R (1842) "On the uniform motion of heat and its connection with the mathematical theory of electricity" Cambridge Mathematical Journal 3, 71-84 Nell'articolo fece notevoli collegamenti tra le teorie matematiche della conduzione termica e dell'elettrostatica, un'analogia che James Clerk Maxwell descrisse come una delle più valide "idee per formare la scienza" (science-formin ideas)., Vol. 2, p. 301.
Cambridge Il padre di William poté permettersi di iscriverlo, nel 1841, al college Peterhouse dell'Università di Cambridge. Nel 1845 si laureò come secondo "Wrangler" (vale a dire con il secondo punteggio). Vinse comunque un Premio Smith, assegnato annualmente a studenti in fisica teorica, matematica e matematica applicata, che viene talvolta considerato un miglior indicatore della originalità della ricerca rispetto alla laurea.
Durante il periodo a Cambridge, Thomson fu attivo nell'atletica e nello sport, vincendo delle gare di canottaggio. Si interessò anche ai classici, alla musica e alla letteratura, ma vero amore della sua vita intellettuale fu l'attività scientifica; lo studio della matematica, fisica e in particolare dei fenomeni elettrici aveva catturato la sua immaginazione.
Nel 1845 diede il primo sviluppo matematico all'idea di Faraday che l'induzione elettrostatica abbia luogo attraverso un mezzo, o "dielettrico", e non da qualche incomprensibile "azione a distanza". Sviluppò il metodo della carica immagine, che divenne un potente metodo di soluzione dei problemi di elettrostatica. Fu in parte in risposta al suo incoraggiamento che Faraday intraprese nel settembre del 1845 la ricerca che portò alla scoperta dell'effetto Faraday, che stabilì la connessione tra la luce e i fenomeni magnetici (e quindi elettrici).
Nel 1845 fu eletto fellow del college; passò quindi del tempo nel laboratorio del celebre Henri-Victor Regnault, a Parigi, ma nel 1846 fu nominato alla cattedra di filosofia naturale all'Università di Glasgow. A 22 anni si trovò a vestire i panni di esperto professore in una delle più antiche università del paese, e a fare lezione a una classe in cui era stato solo pochi anni prima.
Termodinamica
Entro il 1847 Thomson si era già guadagnato una reputazione come scienziato precoce e anticonformista quando partecipò alla riunione annuale della "British Association for the Advancement of Science" (Associazione britannica per il progresso della scienza) a Oxford. In questa occasione ascoltò James Prescott Joule fare ancora un altro dei suoi tentativi, infruttuosi fino a quel momento, di screditare la teoria del calorico e la teoria della macchina termica basata su di essa da Sadi Carnot e Émile Clapeyron. Joule dibatté per la mutua convertibilità del calore e del lavoro meccanico e per la loro equivalenza.
Thomson era incuriosito ma scettico. Benché sentisse che i risultati di Joule avevano bisogno di una spiegazione teorica, si impegnò più a fondo seguendo la scuola di Carnot e Clapeyron. Predisse che la temperatura di fusione (vedi punto di fusione) del ghiaccio dovesse diminuire all'aumentare della pressione, altrimenti l'espansione dovuta al congelamento potrebbe essere sfruttata per un moto perpetuo. La conferma sperimentale nel suo laboratorio sostenne molto le sue convinzioni.
Nel 1848 estese la teoria di Carnot-Clapeyron ancora oltre per la sua insoddisfazione riguardo al fatto che un termometro a gas fornisse solo una definizione operativa della temperatura. Propose una scala di temperatura assoluta in cui un'unità di calore che passa da un corpo A a temperatura T° su questa scala a un corpo B a temperatura (T-1)°, produce lo stesso effetto meccanico [lavoro] qualunque sia il numero . Una scala di questo tipo sarebbe abbastanza indipendente dalle proprietà fisiche di ogni specifica sostanza. Seguendo questa idea a cascata, Thomson postulò che si potrebbe raggiungere un punto in cui non possa essere trasferito ulteriore calore (o calorico), il punto dello zero assoluto su cui Guillaume Amontons aveva speculato nel 1702. Thomson usò dati pubblicati da Regnault per calibrare la sua scala rispetto alle misure note.
Nella sua pubblicazione, Thomson scrisse:
Ma una nota segnalava i suoi primi dubbi sulla teoria del calorico, riferendosi alle "scoperte veramente notevoli" di Joule. Sorprendentemente, Thomson non spedì a Joule una copia del suo articolo, ma quando Joule finì per leggerlo scrisse a Thomson il 6 ottobre, reclamando che i suoi studi avevano dimostrato la conversione del calore in lavoro, ma che stava pianificando ulteriori esperimenti. Thomson rispose il 27 ottobre, rivelando che stava anch'egli pianificando degli esperimenti e augurandosi una riconciliazione tra le loro due posizioni.
Thomson tornò alla critica del lavoro originale di Carnot e lesse la sua analisi alla Royal Society of Edinburgh nel gennaio 1849, ancora convinto che la teoria fosse fondamentalmente sensata. Comunque, benché Thomson non avesse eseguito nuovi esperimenti, nei due anni successivi divenne sempre più insoddisfatto della teoria di Carnot e convinto da quella di Joule. Nel febbraio 1851 si mise a tavolino per articolare le sue nuove idee. Era però incerto su come inquadrare la sua teoria e riscrisse l'articolo parecchie volte prima di arrivare a un tentativo di riconciliare Carnot e Joule. Sembra che durante la riscrittura abbia considerato le idee che avrebbero portato in seguito al secondo principio della termodinamica. Nella teoria di Carnot il calore perduto era "assolutamente perduto", ma Thomson affermò che era "perduto per l'uomo irrevocabilmente; ma non perduto nel mondo materiale". Inoltre le sue convinzioni teologiche lo portarono a speculare sulla morte termica dell'universo.
Nel testo pubblicato, Thomson eliminò le affermazioni più radicali e dichiarò che "l'intera teoria della potenza motrice del calore è fondata su... due... proposizioni, dovute rispettivamente a Joule, a Carnot e a Clausius". Thomson andò avanti ed enunciò una versione del secondo principio:
Nell'articolo, Thomson sostenne la teoria che il calore fosse una forma di moto, ma ammetteva di essere stato influenzato solo dal pensiero di Humphry Davy oltre che dagli esperimenti di Joule e Julius Robert von Mayer, affermando che la dimostrazione sperimentale della conversione del calore in lavoro era ancora mancante..
Appena Joule lesse l'articolo scrisse a Thomson i suoi commenti e le sue domande. Cominciò quindi una fruttuosa collaborazione, benché in larga parte epistolare, in cui Joule eseguiva gli esperimenti e Thomson analizzava i risultati e suggeriva nuovi test sperimentali al collega. La collaborazione durò dal 1852 al 1856, e portò tra le altre alla scoperta dell'effetto Joule-Thomson, chiamato talvolta effetto Kelvin-Joule; la pubblicazione del risultato favorì la ricezione generale del lavoro di Joule e della teoria cinetica dei gas.
Lord Kelvin pubblicò più di 600 articoli scientifici e oltre 70 brevetti.
Cavo transatlantico Calcoli sulla velocità di trasmissione Ormai eminente nell'ambiente accademico, Thomson era sconosciuto al grande pubblico. Nel settembre 1852 sposò l'amore d'infanzia Margaret Crum, la cui salute peggiorò durante la luna di miele, e nei successivi diciassette anni Thomson fu distratto dalla sua sofferenza. Il 16 ottobre 1854, George Gabriel Stokes scrisse a Thomson per provare a interessarlo nuovamente al lavoro chiedendogli un'opinione su alcuni esperimenti di Michael Faraday sul proposto cavo telegrafico transatlantico.