Рудольф Клаузиус

Файл: 88031 (Рудольф Клаузиус до 1867 года) k.jpg
Рудольф Клаузиус как профессор в Цюрихе (до 1867 г.)

Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (родился 2 января 1822 года в Кёслине † 24 августа 1888 года в Бонне ) был немецким физиком .

Клаузиус считается первооткрывателем второго закона термодинамики , создателем терминов энтропия и вириал и одним из первых физиков-теоретиков середины XIX века. Среди других он был современником. на Германа фон Гельмгольца , Джеймс Прескотт Джоуль , Густав Роберт Кирхгоф , Джон Тиндаля , Уильям Томсон, 1 - й барон Кельвин , Лошмидт , Людвиг Больцман и Джеймс Клерк Максвелл .

Жизнь

Будучи сыном школьного советника и пастора, Клаузиус изучал математику и физику в Берлине с 1840 года после окончания средней школы в Штеттине , в том числе с Генрихом Густавом Магнусом , Питером Густавом Леженом Дирихле , Якобом Штайнером и историей с Леопольдом фон Ранке . В 1848 году он получил докторскую степень в Галле по рассеиванию солнечного света в атмосфере Земли, чтобы стать доктором философии. С 1844 по 1850 год он работал в гимназии Фридрихсвердера в Берлине в качестве кандидата на преподавание физики и математики. В 1850 году он стал профессором физики в Королевской артиллерийско-инженерной школе в Берлине и частным лектором в Берлинском университете. В 1855 году он был назначен во вновь основанный Eidgenössische Polytechnikum в Цюрихе , в 1867 году он переехал в Вюрцбург , где он смог получить вторую кафедру математики, которую занимал Фридрих Прим в 1869 году, а затем в Бонн в 1869 году, пока он не умер . В 1884/85 г. он был ректором университета.

Как руководитель студенческого медицинского корпуса, он был ранен во время франко-прусской войны в 1870 году , в результате чего его колено постоянно болело.

Он женился на Адельхейде Римпау (1833–1875) в Цюрихе в 1859 году, дочери брансуикского купца Юстуса Римпау (1782–1840) и Матильды Фритце и двоюродной сестры фермера Вильгельма Римпау (1814–1892). Его жена умерла от скарлатины в 1875 году. Старшая дочь Матильда (1861–1907), которая вела хозяйство с 1875 года и взяла на себя воспитание младших братьев и сестер, вышла замуж за богослова Фридриха Циммера в 1882 году . За два года до смерти Клаузиус снова женился: в 1886 году его женой стала Софи Сак, дочь судебного советника Эссена Отто Сака и Йоханны Бадде.

Рудольф Клаузиус, около 1850 г.

растение

Рудольф Клаузиус

После открытия закона сохранения энергии (1-й закон термодинамики) Юлиусом Робертом фон Майером , Джеймсом Прескоттом Джоулем и Германом фон Гельмгольцем необходимо было найти новую теорию тепла , тем более что Уильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин) имел ясно показано, что между процессом Карно и сохранением энергии существует противоречие в терминах. Клаузиус посвятил себя этой задаче, глубоко изучив способность тепла превращаться в работу (1850). Он впервые записал 2-й закон термодинамики , который гласит, что тепло не переходит от холодного к более теплому телу без других изменений, и тем самым постулирует невозможность вечного двигателя 2 -го рода. В 1865 году Клаузиус ввел термин энтропия . Для этой цели также использовалась устаревшая установка Клаузиуса .

Первая научная работа Клаузиуса посвящена темам метеорологической оптики, например Б. Рассеяние света в атмосфере и явление голубого неба, а также рассвет и закат. Его знаменитый трактат «О движущейся силе тепла» 1850 года, наконец, позволил ему получить абилитацию и преподавать в Королевской артиллерийско-инженерной школе и одновременно с частным лектором в Берлинском университете - началась его научная карьера.

Имя Клаузиуса напрямую связано с уравнением Клаузиуса-Клапейрона , с помощью которого можно определить кривую давления пара на двухфазной диаграмме вещества по энтальпии парообразования , температуре и увеличению объема. Благодаря процессу Клаузиуса-Ренкина , классического водно-парового процесса для выработки механической энергии или электричества из химически связанного тепла, он также известен в энергетических технологиях. Что гораздо менее распространено сегодня, так это то, что он предоставил фундаментальные работы по кинетической теории газов и электролитической диссоциации . В 1857 году он усовершенствовал очень простую газокинетическую модель Августа Крёнига , которую он создал годом ранее, и ввел понятие «длины свободного пробега» молекулы газа. Его работа, которая также была переведена на английский язык, побудила Джеймса Клерка Максвелла, а затем Людвига Больцмана сделать решающие открытия, которые сыграли решающую роль в создании кинетической теории газов. Вдобавок Клаузиус работал над электродинамикой движущихся тел, решение которой было найдено только в работах Эйнштейна 1905 года. Клаузиус использовал производные Максвелла для определения молярной рефракции вещества ( уравнение Клаузиуса-Моссотти ). Эта процедура использовалась для проверки структуры органического вещества. Структуры (функциональные группы, связи) органических молекул можно сравнить по показателю преломления и молярной массе .

В 1850 году Клаузиус начал заниматься темой, которой он обязан своей величайшей известностью: теорией механического тепла (термодинамикой). Клаузиус использовал принцип сохранения энергии как первый закон термодинамики, уже предложенный Сади Карно в 1824 году и окончательно постулированный Джулиусом Робертом Майером в 1842 году в своей теории, и дал ему первую количественную формулировку, установив связь между количеством тепло Q , работа W и внутренняя энергия U (d U = d Q + d W ). В отличие от преобладающего до того мнения, он понял, что тепло не является неизменным веществом, а представляет собой только форму энергии, которая может быть преобразована в известные другие формы (кинетическая энергия и т. Д.).

Однако принцип сохранения энергии еще не объясняет тот общий факт, что преобразование энергии не происходит ни в каком направлении: почему, например, два разных теплых тела регулируют свою температуру при контакте, но тепло никогда не переходит от более холодного к более холодному. более теплое тело само по себе. Карно уже ясно заявил об этом факте, но только Клаузиус распознает за ним поток энергии, а не явление, связанное с тепловым веществом. В 1850 году он назвал этот опыт вторым законом термодинамики. Утверждение, что преобразования энергии происходят необратимо в одном направлении, больше не совместимо с классической механической физикой, линейные законы которой прослеживаются и обратимы согласно любому процессу ( закон возврата Пуанкаре ).

Таяние льда в теплой комнате - простой пример увеличения энтропии (впервые описанный Рудольфом Клаузиусом в 1862 году).

Отправной точкой для размышлений Карно и Клаузиуса был режим работы паровых машин. Еще в 1824 году Карно обнаружил, что тепло не может быть полностью преобразовано в механическую работу, поскольку для этого требуется не только источник тепла (печь с парогенератором), но и теплоотвод (охладитель для конденсации пара), в котором часть тепла уходит. необходимая для преобразования в Работа потеряна. Для каждого теплоэнергетического процесса требуются два резервуара тепла с разной температурой, из которых тепло подается и отводится. Под идеализированным, т.е. ЧАС. Обратимые условия - это соотношение количества подводимого или отведенного тепла к соответствующим температурам, при которых происходит теплопередача, то же самое. В этом случае максимально возможное количество механической энергии, например Б. для выработки электроэнергии. Однако в реальных теплоэнергетических процессах дело обстоит иначе. Чем больше разница между этими соотношениями, тем меньше полезной работы (эксергии) можно получить от тепловой энергии.

Таким образом, изменение количества тепла, связанного с температурой теплопередачи в термодинамическом процессе, является мерой преобразуемости тепла и технической работы и, следовательно, качества процесса (d S = d Q / T ). Позднее Клаузиус назвал это «эквивалентное значение преобразования» «энтропией» (от древнегреческого: entrepein = преобразовывать и tropé = потенциал для изменения). В 1882 году Гельмгольц более четко определил закон энтропии Клаузиуса в терминах внутренней энергии системы: максимальная полезная свободная энергия в изолированной системе всегда меньше, чем фактически доступная внутренняя энергия. Хотя внутренняя энергия системы сохраняется, когда она преобразуется в полезную работу (1-й основной закон), она обесценивается (деградация), поскольку часть ее всегда рассеивается (рассеивается) в системной среде. Таким образом, второй закон термодинамики также можно сформулировать следующим образом: преобразование энергии никогда не происходит само по себе из состояния низкого качества в состояние высокого качества; энтропия всегда увеличивается. В теплоэнергетическом процессе вода технологической среды должна быть энергетически «очищена» путем подачи тепла извне (печи) путем создания водяного пара под высоким давлением и температурой, прежде чем она сможет работать в цилиндре паровой машины или в паровой машине. турбина для выработки электроэнергии. Энергия обработанного пара бесполезна и должна отводиться в окружающую среду через охладитель. Даже в идеальных условиях производство рассеиваемой энергии, например, отходящего тепла, было бы неизбежным.

Из-за центральной важности знаний Клаузиуса для классического процесса на теплоэлектростанции (процесс Ренкина) его также называют процессом Клаузиуса-Ренкина.

В 1870 году Клаузиус дал теорему вириала , которая представляет собой соотношение между средним по времени кинетической энергией и средним по времени потенциальной энергией замкнутой стационарной физической системы. Это связано с механикой и замкнутой термодинамической системой.

В 1857 году Клаузиус ввел в физику фундаментальную концепцию статистической механики - длину свободного пробега .

В 1875 году Клаузиус также опубликовал общий закон электродинамики, основанный на теории эфира.

«Гельмгольц иногда характеризовал важность термодинамических теорем для нашего познания природы, называя их« законами мира », очевидно, чтобы выразить [...], что они могут безопасно применяться ко всей вселенной», так Вальтер Нернст 1922 на 100-м день рождения Клаузиуса в Боннском университете.

Мемориальный камень в Техническом университете Кошалина

Почести и членство (выбор)

В Цюрихе в 1895 году Clausiusstrasse и Clausiussteig, недалеко от Цюриха , были названы в его честь. В 1935 году его именем был назван лунный кратер Клаузиус, а в 2002 году астероид (29246) Клаузиус . С 2009 года в его родном городе Кёслине установлен мемориальный камень.

Смотри тоже

Шрифты

  • О движущейся силе тепла и законах, которые могут быть выведены из нее для самой теории тепла , Poggendorffs Annalen , Volume 79, 1850, pp. 368-397, 500-524
    • Отредактировано с комментариями Макса Планка 1898, 1921, Лейпциг, (Классика точных наук Оствальда 99), Перепечатка, 1982, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Архив
  • О применении теории механического тепла к паровой машине. В: Annals of Physics and Chemistry , Series 4, 97 (1856), стр. 441-476, 513-558. ( Оцифрованный и полный текст в немецком текстовом архиве )
  • О различных формах основных уравнений механической теории тепла , которые удобны для использования , Annalen der Physik und Chemie, Volume 125, 1865, pp. 353-400 (введение энтропии)
    • также читает лекции в Zürcher Naturforschenden Gesellschaft, ежеквартальном журнале Naturf. Ges. Zurich, 10-й год 1865 г., вып. 1, 1–59, pdf
  • О втором законе теории механического тепла: лекция на общем собрании 41-го собрания немецких естествоиспытателей и врачей во Франкфурте a. М. 23 сентября 1867 г. , Vieweg 1867 г.
  • О типах движений , требующих тепла , Annalen der Physik und Chemie, Volume 100, 1857, p. 353 (перепечатано в Stephen Brush , Kinetic Theory, Volume 1, WTB 1970).
  • О среднем расстоянии, которое проходят отдельные молекулы во время молекулярного движения газообразных тел, а также некоторые другие замечания по теории механического тепла , Annalen der Physik und Chemie, Volume 105, 1858, p. 239 (перепечатано в Stephen Brush, Kinetic Theory, Том 1, WTB, 1970, введение о длине свободного пробега)
  • Потенциальная функция и потенциал: вклад в математическую физику , опубликованный Иоганном Амброзиусом Бартом, Лейпциг, 1859 г., архив
  • Трактаты по теории механического тепла , 2 тома, Vieweg 1864, 1867 (как трактаты по теории механического тепла ), 2-е издание 1876 г., 1879 г., Архивы, том 1, 3-е издание
  • Кинетическая теория газов , Теория механического тепла , Том 3, 2-е издание, Vieweg 1889-1891, Эд. Макс Планк, Карл Пульфрих
  • О механическом предложении, применимом к теплу , Annalen der Physik, Volume 217, 1870, pp. 124-130 (вириальное предложение )

литература

  • Эдвард Э. Дауб: Клаузиус, Рудольф . В: Чарльз Коулстон Гиллиспи (ред.): Словарь научной биографии . Лента 3 : Пьер Кабанис - Генрих фон Дехен . Сыновья Чарльза Скрибнера, Нью-Йорк, 1971, стр. 303-311 .
  • Макс фон Лауэ:  Клаузиус, Рудольф Юлиус Эмануэль. В: Новая немецкая биография (NDB). Том 3, Duncker & Humblot, Berlin 1957, ISBN 3-428-00184-2 , стр. 276-278 ( оцифрованная версия ).
  • Вальтер Нернст : Рудольф Клаузиус, родился 2 января 1822 г., умер 24 августа 1888 г., 1869–1888 гг. Профессор физики в Боннском университете: речь, произнесенная 24 июня 1922 г. Рёршайд, Бонн, 1922 г.
  • Гюнтер Бирхальтер: Механическое обоснование Клаузиуса второго закона теории тепла с 1871 года, Архив истории точных наук, Том 24, 1981, стр. 207-219
  • Грета Ронге: Рудольф Клаузиус, физик 19 века, Урания, Том 19, 1956, 231-238
  • Грета Ронге: Цюрихские годы физика Рудольфа Клаузиуса, Геснерус, том 12, 1955, 73-108
  • Эдуард Рике : Рудольф Клаузиус, трактаты d. Ges. Wiss. Göttingen, Math-Phys. Класс 35, 1888 г. (с резюмированным каталогом)
  • Фридрих Крюгер: Рудольф Клаузиус, в Pommersche Lebensbilder, Volume 1, 1934, 208-211
  • Иво Шнайдер : Первое применение Клаузиуса вычисления вероятности в контексте атмосферного светорассеяния, Архив истории точных наук, том 14, 1974, стр. 143–158
  • Иво Шнайдер: Вклад Рудольфа Клаузиуса во внедрение вероятностных методов в физику газов после 1856 г., Архив истории точных наук, том 14, 1974 г., стр. 237-261
  • Вернер Эбелинг и Йоханнес Орфал : Берлинские годы физика Рудольфа Клаузиуса (1840–1855). Научный журнал Университета Гумбольдта, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe 39, 1990, стр. 210–222.
  • Стефан Л. Вольф: Путь Клаузиуса к кинетической теории газа , Sudhoffs Archiv, том 79, выпуск 1, 1995, стр. 54–72.
  • Стефан Л. Вольф: Рудольф Клаузиус - пионер современной теории тепла , Вакуум, Том 90, 2013, стр. 102-108
  • Йоханнес Орфал и Дитер Хоффманн, Рудольф Клаузиус, Густав Магнус и происхождение второго закона термодинамики, стр. 85–130, в: «Густав Магнус и его дом», изд. Д. Хоффманн, ISBN 978-3-86225- 119-3 , GNT Verlag, Берлин и Дифольц, 2020.

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Ханс-Йоахим Фоллрат : О назначении Аурела Фосса на кафедру математики в Вюрцбурге. В: Отчеты по истории болезни Würzburger , том 11, 1993 г., стр. 133–151, здесь: стр. 133.
  2. ↑ Манфред Бергер:  ЦИММЕР, Карл Фридрих. В: Biographisch-Bibliographisches Kirchenlexikon (BBKL). Том 25, Баутц, Нордхаузен 2005, ISBN 3-88309-332-7 , Sp. 1583-1600.  ( Статья / начало статьи в Интернет-архиве ) (дата обращения 17 мая 2010 г.).
  3. ↑ Список членов с 1666 г .: Письмо C. Académie des Sciences, доступ 30 октября 2019 г. (на французском языке).
  4. ↑ Хольгер Кранке: Члены Академии наук в Геттингене 1751-2001 гг. (= Трактаты Академии наук в Геттингене, филолого-исторический класс. Том 3, том 246 = Трактаты Академии наук в Геттингене, Математические- Физический класс. Эпизод 3, т. 50). Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 2001, ISBN 3-525-82516-1 , стр. 60.
  5. ↑ Членская запись Рудольфа Клаузиуса (со ссылкой на некролог) в Баварской академии наук , по состоянию на 16 января 2017 г.
  6. ↑ Литературный центральный вестник Германии . 1882 г., № 35 (26 августа), цв. 1216.
  7. ^ Справочник стипендиатов. Биографический указатель: бывшие стипендиаты RSE 1783–2002. Королевское общество Эдинбурга, доступ к 17 октября 2019 .
  8. ↑ Клаузиусштрассе , alt-zueri.ch, доступ 23 апреля 2014 г.
  9. ^ Поморская газета . № 33/2013, стр. 3.

веб ссылки

Commons : Rudolf Clausius  - Коллекция изображений, видео и аудио файлов
Wikisource: Rudolf Clausius  - Источники и полные тексты
личные данные
ФАМИЛИЯ Клаузиус, Рудольф
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИМЕНА Клаузиус, Рудольф Юлиус Эмануэль
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ Немецкий физик
ДАТА РОЖДЕНИЯ 2 января 1822 г.
МЕСТО РОЖДЕНИЯ Koslin
ДАТА СМЕРТИ 24 августа 1888 г.
МЕСТО СМЕРТИ Бонн