MacTutor

biografi

Rudolf Clausius far, Rev C E G Clausius, var rådmand for Den Kongelige regerings skolebestyrelse. Han grundlagde en lille privat skole, der blev dens rektor, og som minister for kirken tjente han også som dens præst. Rudolf blev opdraget i en stor familie, der var den sjette af sin fars sønner. Han gik på sin fars skole i et par år og flyttede derefter til et Gymnasium i Stettin (nu Stettin, Polen), hvor han blev, indtil han havde afsluttet sin skolegang i 1840. En af hans brødre, Robert Clausius, skrev det i skolen: –

… alle intime med ham lærte at værdsætte hans pålidelighed og sandfærdighed. … den største tillid og tillid blev placeret i ham. Hans dom … var højt værdsat.

Clausius kom ind på universitetet i Berlin i 1840, selvom han på dette tidspunkt stadig ikke var klar over, hvilke emner han ville forfølge. I et stykke tid blev han stærkt tiltrukket af historien, men til sidst besluttede han at koncentrere sig om matematik og fysik. Det var i disse fag, at han afsluttede sin grad i påsken 1844 og derefter tilbragte et prøveår undervisning på Frederic-vder Gymnasium. På gymnasiet lærte Clausius de avancerede klasser i matematik og fysik.
i 1846 gik han ind i Boecks Royal Seminary og forelagde sin afhandling om problemet med reflekteret lys på himlen til Halle University i 1847. Han modtog sin doktorgrad med udmærkelse den 15. juli 1848. Dette tidlige arbejde af Clausius havde til formål at forklare Himmelens blå farve, de røde farver set ved solopgang og solnedgang og polarisering af lys; se for detaljer. Det har vist sig ikke at være baseret på korrekt fysik, fordi det antog, at virkningerne var forårsaget af refleksion og brydning af lys snarere end at være forårsaget af spredning af lys, som Thomson foreslog. Men i dette arbejde Clausius anvendt matematik langt dybere end nogen af hans forgængere, og det er en god illustration af, hvordan fysiske problemer drive udviklingen af matematik, selv når deres fysiske grundlag er usund.
Clausius første papir om den mekaniske teori om varme blev offentliggjort i 1850. Dette er hans mest berømte værk, og vi vil diskutere nedenfor dens indhold og betydning. Dens betydning blev hurtigt anerkendt, og han blev inviteret til stillingen som Professor ved Royal Artillery and Engineering School i Berlin den 25.September 1850. Han blev også Docent ved Universitetet i Berlin og holdt sit indledende foredrag på universitetet den 18.December.
den 29.August 1855 blev Clausius udnævnt til formand for matematisk fysik ved Polytechnikum i Den Russiske Føderation og samtidig blev han også udnævnt til universitetet i Den Russiske Føderation. Det var bestemt et glimrende sted for Clausius at skubbe frem sine ideer omgivet af andre fremragende matematikere og fysikere. Han blev nu trukket i to retninger, den ene var for at forblive på den videnskabeligt fremragende Kristirich og den anden for at vende tilbage til Tyskland, et land, han dybt elskede. I 1858 blev han tilbudt en stilling på Polytechnic i Karlsruhe, men afviste den. I det følgende år, den 19. November, giftede han sig med Adelheid Rimpam. Igen i 1862 blev han tilbudt en stilling på Polytechnic, men afviste det på trods af tilbuddet fra hans kones hjemby, da han gjorde tilbuddet fra Vienna fire år senere.

derefter i 1867, da han blev tilbudt et professorat ved Universitetet i København, accepterede han og udtrykte dyb beklagelse over at have forladt byen, men endelig fandt han ud af, at han ikke længere kunne modstå sit ønske om at vende tilbage til sit hjemland Tyskland. Han havde kun været et år i København, da han blev tilbudt en stilling i København. Han afviste dette tilbud, men i det følgende år, 1869, accepterede et tilbud om en stol ved University of Bonn. Kort efter dette ville politiske begivenheder imidlertid have en stor indflydelse på Clausius liv.
det var lykkedes Bismarck at oprette et nordtysk forbund, men ledte efter en måde at tilskynde de sydlige stater til at deltage. Frankrig mente, at de let kunne besejre de nye tyske stater, og Bismarck indså, at en krig med Frankrig ville være den begivenhed, han havde brug for for at bringe alle de tyske stater sammen. Han konstruerede klogt en situation, hvor han provokerede franskmændene til at indlede krigen, som begge sider havde ønsket. Clausius var en tysk patriot, og selvom han nærmede sig 50 år, tilbød han sine tjenester til sit land i den fransk-preussiske krig, der var brudt ud.
de tyske styrker var langt stærkere end franskmændene havde forestillet sig, og snart var den franske hær på tilbagetog. To afgørende slag ved Vionville og Gravelotte var bestemt ikke afgørende for tyskerne, der mistede 20000 Mand på Gravelotte sammenlignet med et tab på 13000 af franskmændene. Men da den tyske hær forventede, at franskmændene skulle komme videre og presse deres lille fordel hjem, trak de sig i stedet tilbage, og det blev en taktisk sejr for tyskerne. Clausius bror Robert skrev: –

hans brændende patriotisme tillod ham ikke at forblive inaktiv hjemme under krigen 1870-71. Han påtog sig ledelsen af et ambulancekorps, som han dannede af Bonn-studerende. Ved de store slag ved Vionville og Gravelotte hjalp han med at bære de sårede fra slaget og mindske deres lidelse.

Clausius modtog jernkorset i 1871 for sine tjenester til den tyske kampagne. Imidlertid blev han såret i benet under kampene og led alvorlig smerte og handicap resten af sit liv. En yderligere tragedie opstod i 1875, da hans kone døde i barnets fødsel. Barnet, som overlevede, var deres sjette, men kun fire, to drenge og to piger, overlevede Clausius. Men efter hans kones død havde Clausius ansvaret for at opdrage sin familie og betød sammen med sit krigsår, at han havde ringe chance for koncentreret akademisk arbejde. Hans bror skrev:-

han var den bedste og mest kærlige af fædre, der fuldt ud gik ind i hans børns glæder. Han overvågede selv sine børns skolearbejde.

som en måde at overvinde problemerne med hans skadede ben og for at give ham mulighed for lettere at nå sine foredrag, rådede hans læge ham til at tage ridning. Dette gjorde Clausius, og i 1878 begyndte han at ride og blev snart en ekspert rytter. I 1884 blev han rektor ved Universitetet i Bonn og fortsatte i denne rolle i løbet af 1885. I 1886 giftede han sig igen. Hans anden kone var Sophie Stack fra Essen og Clausius havde endnu et barn, en søn, med sin anden kone. Han fortsatte med at arbejde op til sin endelige sygdom; faktisk som hans bror fortalte:-

selv på sin sidste sygeseng holdt han en undersøgelse.

Clausius var en teoretisk fysiker, faktisk spillede han en vigtig rolle i etableringen af teoretisk fysik som en disciplin. Som vi nævnte ovenfor var hans mest berømte papir, der blev læst til Berlinakademiet den 18.februar 1850 og offentliggjort i Annalen der Physik samme år. Dette papir markerer grundlaget for den moderne termodynamik. I denne artikel: –

… Clausius udtalte først den grundlæggende ide om termodynamikens anden lov. Han brugte det til at vise, at for en ‘Carnot-cyklus’, der overfører varme mellem to varmereservoirer ved forskellige temperaturer og samtidig omdanner varme til arbejde, afhænger det maksimale arbejde, der opnås fra en given mængde varme, udelukkende af varmereservoirernes temperaturer og ikke af arbejdsstoffets Art.

for at forstå betydningen af Clausius papir bør vi sige et par ord om teorien om varme, som eksisterede på dette tidspunkt. Denne teori, kaldet kaloriteorien, var baseret på to aksiomer, nemlig at varmen i universet er bevaret, og at varmen i et stof er en funktion af stoffets tilstand. Laplace, Poisson, Sadi Carnot og Clapeyron havde alle udviklet emnet ved hjælp af denne kaloriteori som grundlag. I sit papir fra 1850 siger Clausius imidlertid klart, at antagelserne om kalorieteorien er falske, og han giver to love om termodynamik for at erstatte de forkerte antagelser. Han gav forklaringer på arten af fri varme og latent varme.
den første lov om termodynamik angiver ækvivalensen af varme og arbejde: når arbejde udføres af varme, forbruges en tilsvarende mængde varme. Clausius havde eksperimentelle beviser for denne lov, ikke fra sine egne eksperimenter, men fra Joule. Accepten af termodynamikens første lov viste straks, at begge aksiomer i kaloriteorien er falske. Clausius fortolkede fri varme som den kinetiske energi af kroppens partikler. Arbejde sat i at øge denne kinetiske energi ville resultere i en stigning i temperaturen. Latent varme var varme, der var blevet ødelagt i arbejde udført mod kræfter mellem molekyler.

den grundlæggende ligning, der blev oprettet af Clausius, var derfor dk = dU + dv, hvor DK var stigningen i varmen, du var ændringen i kroppens energi, og dv var ændringen i eksternt arbejde udført. Introduktionen af U, kroppens energi, var af stor betydning, selvom Clausius ikke gav det et navn. Årene efter hans papir dukkede op, Thomson kaldte U den iboende energi. Det er den samlede mængde arbejde, der teoretisk kunne udvindes fra et stof. Vi skal bemærke, at Thomson i sit papir fra 1851 skriver (se for eksempel ):-

… fortjenesten ved først at etablere sig efter korrekte principper skyldes udelukkende Clausius.

Gibbs skrev (se for eksempel):-

… i memoiret af Clausius … videnskaben om termodynamik opstod. … Det kan siges når som helst siden offentliggørelsen af memoiret, at videnskabens fundament var sikre, dens definitioner klare og dens grænser adskilte.

dette papir fra 1850 indeholdt en version af termodynamikens anden love, nemlig at varme har tendens til at strømme fra varme til kolde kroppe. Dog: –

… dette var kun begyndelsen på Clausius lange engagement i studiet af den anden lov. I de følgende femten år var han at udgive otte flere erindringer, hvor han forsøgte at sætte den anden lov i en enklere, mere generel og matematisk form.

Clausius gentog Sadi Carnots princip om effektiviteten af varmemotorer i sit arbejde. Det Clausius-Clapeyron ligning vises som udtrykker forholdet mellem tryk og temperatur, hvor to faser af et stof er i ligevægt. Han anerkendte entropi som den mængde, der forbliver uændret under ændringer i volumen og temperatur i en Carnot-cyklus allerede i sit papir fra 1850, men han navngav ikke dette vigtige koncept på det tidspunkt. Stadig uden at give konceptet et navn Clausius formulerede i en erindringsbog fra 1854 de grundlæggende principper for teorien om begrebet mål for transformationsækvivalens, han senere kaldte entropi. I et papir, som han offentliggjorde i 1865 konceptet er opkaldt en klart defineret for første gang.
i sit papir af 1865 Clausius erklærede den første og anden love termodynamik i følgende form.

vi har nævnt ovenfor til den store patriotisme vist af Clausius. Dette viste sig noget af en ulempe for ham på visse måder i hans forskningsundersøgelser. Han var involveret i forskellige tvister. Den første tvist var med Thomson om et resultat af Joule, som han havde citeret i et af sine papirer. Clausius var meget kritisk over for, at en tysker havde været den første til at fastslå resultatet, ikke englænderen Joule.

den anden tvist var med Tait om, hvem der var den første til at foreslå ækvivalens mellem arbejde og varme. Det var ikke, at nogen af dem hævdede dette for sig selv, men snarere var tvisten mellem Tait og Tyndall om Joule eller Julius von Mayer havde prioritet. Clausius snublede ind i kontroversen ganske tilfældigt, da Tyndall havde bedt ham om at sende ham alle von Mayers papirer. Imidlertid offentliggjorde Clausius derefter en artikel i 1868 om, at ikke kun von Mayer havde prioritet, men det gjorde også den tyske nation.
en mere bitter strid mellem Tait og Clausius begyndte i 1872, da han udgav Theory of Heat. Clausius erklærede, at briterne forsøgte at kræve mere, end de fortjente for teorien om varme, som Clausius sagde, han alene var opdageren. Man må tilføje, at han i løbet af en årrække fuldt ud havde anerkendt Clausius ‘ bidrag, så han havde ringe grund til klagen. Tristheden ved situationen var den virkning, som Clausius holdning havde på hans egne præstationer. Daub skriver i :-

Clausius store arv til fysik er utvivlsomt hans ide om den irreversible stigning i entropi, og alligevel finder vi ingen tegn på interesse for Josiah Gibbs arbejde med kemisk ligevægt eller Boltsmanns syn på termodynamik og sandsynlighed, som begge var helt afhængige af hans ide. Det er mærkeligt, at han selv ikke viste nogen tilbøjelighed til at søge en molekylær forståelse af irreversibel entropi eller finde yderligere anvendelser af ideen; det er endnu fremmed og endda tragisk, at han ikke udtrykte nogen bekymring for arbejdet hos sine samtidige, der udførte netop disse opgaver.

nogle historikere hævder, at Clausius gjorde mere brug af andres ideer, end han var parat til at indrømme. For eksempel Kim I skriver: –

… vores formål er at give mening om, hvad Clausius gjorde i denne lange bestræbelse. Vi forklarer, hvordan hans arbejde fulgte det særlige kursus, det tog, som involverede digressioner, smuthuller og endda nogle forvirringer, og som introducerede nogle meget vanskelige nye koncepter som ‘ukompenseret transformation’, ‘disgregation’ og ‘entropi’. Vi henleder særlig opmærksomheden på Vilhelm Thomsons ide om ‘den universelle tendens til spredning af energi’ som en mulig kilde til motivation, der ligger til grund for hele bestræbelsen.

vi må ikke give indtryk af, at Clausius arbejde ikke var af enestående betydning for det helt sikkert var. Vi må heller ikke give indtryk af, at han kun arbejdede med termodynamik, for efter 1875 koncentrerede han sig om elektrodynamisk teori. Han gav et princip om bevarelse af energi i elektrodynamik relateret til en kraftlov om handling på afstand, som i modsætning til den, der blev givet af Coulomb, var afhængig af hastigheder og accelerationer. Clausius bevidst gjort valg i at oprette ligningerne, så de var:-

… i den enkleste og derfor mest sandsynlige form.

hans teori var i ret god overensstemmelse med de fleste eksperimentelle resultater, men baseret på absolutte hastigheder resulterede det i, at en ladning i hvile på jorden blev udsat for en kraft på grund af Jordens bevægelse. Clausius svarede på kritikken, men sagde, at hans absolutte hastighed var i forhold til mediet omkring ladningen. På trods af vanskelighederne i teorien spillede det en vigtig rolle i udviklingen af elektrodynamisk teori.
Clausius modtog mange hædersbevisninger for sit arbejde. Listen er lang, og vi vil kun nævne nogle få. Han blev valgt til stipendiat i Royal Society of London i 1868 og modtog sin Copley-medalje i 1879. Han modtog også Huygens-Medaljen i 1870, Poncelet-prisen i 1883, og han modtog en æresdoktorgrad fra universitetet i København i 1882.
Fitsgerald, i , Giv denne fine hyldest til Clausius:-

han var et ædelt eksempel på den ånd, der bruger sig til direkte at gavne menneskeheden, og det spilder ikke tid på smålige uddybninger af smukke problemer. Han var i højeste forstand praktisk, hans arbejde er evigt, og hans hukommelse vil leve, så længe menneskeheden ærer sine velgørere.