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Biografía

El padre de Rudolf Clausius, el reverendo Clausius, fue Consejero de la Junta Escolar del Gobierno Real. Fundó una pequeña escuela privada, convirtiéndose en su Director, y como ministro de la iglesia también sirvió como su pastor. Rodolfo creció en una familia numerosa, siendo el sexto de los hijos de su padre. Asistió a la escuela de su padre durante unos años y luego se trasladó a un Gimnasio en Stettin (ahora Szczecin, Polonia), donde permaneció hasta que terminó sus estudios en 1840. Uno de sus hermanos, Robert Clausius, escribió que en la escuela:-

… todos los íntimos con él aprendieron a valorar su fiabilidad y veracidad. … la mayor confianza se depositó en él. Su juicio … fue muy valorado.

Clausius entró en la Universidad de Berlín en 1840, aunque en esta etapa todavía no estaba claro qué temas iba a seguir. Durante un tiempo se sintió fuertemente atraído por la historia, pero finalmente decidió concentrarse en las matemáticas y la física. Fue en estos temas que completó su grado en la Pascua del año 1844 y luego pasó un año de prueba enseñando en el Gimnasio Frederic-Werder. En el Gimnasio Clausius enseñó las clases avanzadas de matemáticas y física.
En 1846 ingresó en el Seminario Real de Boeck y presentó su disertación, sobre el problema de la luz reflejada en el cielo, a la Universidad de Halle en 1847. Recibió su doctorado, con distinción, el 15 de julio de 1848. Este primer trabajo de Clausius tenía como objetivo explicar el color azul del cielo, los colores rojos que se ven al amanecer y al atardecer, y la polarización de la luz; ver para más detalles. Ha resultado que no se basa en la física correcta porque supone que los efectos fueron causados por la reflexión y refracción de la luz en lugar de ser causados por la dispersión de la luz como propuso Thomson. Sin embargo, en este trabajo Clausius aplicó las matemáticas mucho más profundamente que cualquiera de sus predecesores y es una buena ilustración de cómo los problemas físicos impulsan el desarrollo de las matemáticas, incluso cuando su base física no es sólida.
El primer artículo de Clausius sobre la teoría mecánica del calor se publicó en 1850. Esta es su obra más famosa y discutiremos a continuación su contenido y significado. Su importancia fue rápidamente reconocida y fue invitado al puesto de Profesor en la Royal Artillery and Engineering School de Berlín el 25 de septiembre de 1850. También se convirtió en docente en la Universidad de Berlín y dio su conferencia inaugural en la Universidad el 18 de diciembre.

El 29 de agosto de 1855 Clausius fue nombrado para la Cátedra de Física Matemática en el Polytechnikum de Zúrich y, al mismo tiempo, también fue nombrado para la Universidad de Zúrich. Sin duda, fue un excelente lugar para Clausius para impulsar sus ideas rodeado de otros excelentes matemáticos y físicos. Ahora fue arrastrado en dos direcciones, una para permanecer en el científicamente excelente Zúrich y la otra para regresar a Alemania, un país que amaba profundamente. En 1858 se le ofreció un puesto en el Politécnico de Karlsruhe, pero lo rechazó. Al año siguiente, el 19 de noviembre, se casó con Adelheid Rimpam. De nuevo en 1862 se le ofreció un puesto en el Politécnico de Brunswick, pero lo rechazó a pesar de la oferta procedente de la ciudad natal de su esposa, como lo hizo la oferta de Viena cuatro años más tarde.
Luego, en 1867, cuando se le ofreció una cátedra por la Universidad de Würzburg, aceptó, expresando su profundo pesar por dejar Zúrich, pero finalmente descubrió que ya no podía resistir su deseo de regresar a su Alemania natal. Solo había estado un año en Würzburg cuando se le ofreció un puesto en Múnich. Rechazó esta oferta, pero al año siguiente, 1869, aceptó una oferta de cátedra en la Universidad de Bonn. Poco después de esto, sin embargo, los acontecimientos políticos tendrían un efecto importante en la vida de Clausius.
Bismarck había logrado crear una Confederación del Norte de Alemania, pero estaba buscando una manera de alentar a los estados del sur a unirse. Francia creía que podían derrotar fácilmente a los nuevos estados alemanes y Bismarck se dio cuenta de que una guerra con Francia sería el evento que necesitaba para unir a todos los estados alemanes. Ingeniosamente diseñó una situación en la que provocó a los franceses a iniciar la guerra que ambos bandos habían querido. Clausius era un patriota alemán y, aunque estaba cerca de los 50 años de edad, ofreció sus servicios a su país en la guerra franco-prusiana que había estallado.
Las fuerzas alemanas eran mucho más fuertes de lo que los franceses habían imaginado y pronto el ejército francés estaba en retirada. Dos batallas cruciales en Vionville y Gravelotte ciertamente no fueron decisivas para los alemanes que perdieron 20000 hombres en Gravelotte en comparación con una pérdida de 13000 por los franceses. Sin embargo, cuando el ejército alemán esperaba que los franceses avanzaran y presionaran a casa su ligera ventaja, en su lugar se retiraron y se convirtió en una victoria táctica para los alemanes. El hermano de Clausius, Roberto, escribió: –

Su patriotismo ardiente no le permitió quedarse ocioso en casa durante la guerra de 1870-71. Asumió el liderazgo de un cuerpo de ambulancias, que formó con estudiantes de Bonn. En las grandes batallas de Vionville y Gravelotte ayudó a llevar a los heridos de la batalla y a aliviar su sufrimiento.

Clausius recibió la Cruz de Hierro en 1871 por sus servicios a la campaña alemana. Sin embargo, fue herido en la pierna durante las batallas y sufrió dolor severo y discapacidad por el resto de su vida. Otra tragedia ocurrió en 1875, cuando su esposa murió en el parto. El niño, que sobrevivió, era el sexto, pero solo cuatro, dos niños y dos niñas, sobrevivieron a Clausius. Sin embargo, después de la muerte de su esposa Clausius tenía la responsabilidad de criar a su familia y, junto con su herida de guerra, significaba que tenía pocas posibilidades de trabajo académico concentrado. Su hermano escribió:-

Fue el mejor y más afectuoso de los padres, entrando plenamente en las alegrías de sus hijos. Él mismo supervisaba el trabajo escolar de sus hijos.

Como una forma de superar los problemas con su pierna lesionada, y para permitirle llegar a sus clases con más facilidad, su médico le aconsejó que comenzara a montar a caballo. Así lo hizo Clausius y en 1878 comenzó a montar a caballo, convirtiéndose pronto en un jinete experto. En 1884 se convirtió en rector de la Universidad de Bonn, continuando en este cargo durante 1885. Luego, en 1886, se casó de nuevo. Su segunda esposa fue Sophie Stack de Essen y Clausius tuvo un hijo más, un hijo, con su segunda esposa. Continuó trabajando hasta su última enfermedad;de hecho, como relató su hermano:-

Incluso en su última cama enferma, realizó un examen.

Clausius era un físico teórico, de hecho jugó un papel importante en el establecimiento de la física teórica como disciplina. Como mencionamos anteriormente, su artículo más famoso fue Über die bewegende Kraft der Wärme read leído en la Academia de Berlín el 18 de febrero de 1850 y publicado en Annalen der Physik en el mismo año. Este papel marca la base de la termodinámica moderna. En este trabajo :-

… Clausius declaró por primera vez la idea básica de la segunda ley de la termodinámica. Lo utilizó para demostrar que para un “ciclo de Carnot”, que transmite calor entre dos depósitos de calor a diferentes temperaturas y al mismo tiempo convierte el calor en trabajo, el trabajo máximo obtenido de una cantidad determinada de calor depende únicamente de las temperaturas de los depósitos de calor y no de la naturaleza de la sustancia de trabajo.

Para entender el significado del documento de Clausius, debemos decir algunas palabras sobre la teoría del calor que existía en este momento. Esta teoría, llamada teoría calórica, se basaba en dos axiomas, a saber, que el calor en el universo se conserva y que el calor en una sustancia es una función del estado de la sustancia. Laplace, Poisson, Sadi Carnot y Clapeyron habían desarrollado el tema utilizando esta teoría calórica como base. Sin embargo, en su artículo de 1850, Clausius afirma claramente que las suposiciones de la teoría calórica son falsas y da dos leyes de la termodinámica para reemplazar las suposiciones incorrectas. Dio explicaciones de la naturaleza del calor libre y el calor latente.
La Primera Ley de la Termodinámica establece la equivalencia de calor y trabajo: siempre que el trabajo se realiza por calor, se consume una cantidad equivalente de calor. Clausius tenía pruebas experimentales de esta ley, no de sus propios experimentos, sino de los de Joule. La aceptación de la Primera Ley de la Termodinámica mostró inmediatamente que ambos axiomas de la teoría calórica son falsos. Clausius interpretó el calor libre como la energía cinética de las partículas del cuerpo. El trabajo realizado para aumentar esta energía cinética resultaría en un aumento de la temperatura. El calor latente era calor que había sido destruido en el trabajo realizado contra fuerzas entre moléculas.
La ecuación básica establecida por Clausius fue, por lo tanto, dQ = dU + dW, donde dQ era el incremento en el calor, dU era el cambio en la energía del cuerpo y dW era el cambio en el trabajo externo realizado. La introducción de U, la energía del cuerpo, fue de gran importancia, aunque Clausius no le dio un nombre. Los años después de la aparición de su artículo, Thomson llamó a U la energía intrínseca. Es la cantidad total de trabajo que teóricamente podría extraerse de una sustancia. Debemos tener en cuenta que Thomson, en su artículo de 1851, escribe (véase, por ejemplo ):-

… el mérito de establecer primero principios correctos se debe enteramente a Clausius.

Gibbs escribió (véase, por ejemplo ):-

… en las memorias de Clausius … la ciencia de la termodinámica surgió. … Se podría decir en cualquier momento desde la publicación de las memorias que los fundamentos de la ciencia eran seguros, sus definiciones claras y sus límites distintos.

Este documento de 1850 contenía una versión de las Segundas Leyes de la Termodinámica, a saber, que el calor tiende a fluir de cuerpos calientes a cuerpos fríos. Sin embargo: –

… este fue solo el comienzo de la larga participación de Clausius en el estudio de la segunda ley. En los siguientes quince años iba a publicar ocho memorias más en las que trató de poner la segunda ley en una forma más simple, más general y matemática.

Clausius reafirmó el principio de Sadi Carnot de la eficiencia de los motores térmicos en su trabajo. Aparece la ecuación de Clausius-Clapeyron que expresa la relación entre la presión y la temperatura a la que dos fases de una sustancia están en equilibrio. Reconoció la entropía como la cantidad que permanece invariable durante los cambios de volumen y temperatura en un ciclo de Carnot ya en su artículo de 1850, pero no nombró este importante concepto en ese momento. Aun sin darle un nombre al concepto, Clausius formuló, en una memoria de 1854, los rudimentos de la teoría del concepto de la medida de equivalencia de transformación que más tarde llamó entropía. En un documento que publicó en 1865, el concepto se llama un claramente definido por primera vez.
En su artículo de 1865 Clausius declaró la Primera y Segunda leyes de la termodinámica en la siguiente forma.

Nos hemos referido anteriormente al gran patriotismo mostrado por Clausius. Esto resultó ser una desventaja para él en ciertas formas en sus investigaciones de investigación. Estuvo involucrado en varias disputas. La primera disputa fue con Thomson sobre un resultado de Joule que había citado en uno de sus documentos. Clausius fue muy crítico de que un alemán hubiera sido el primero en establecer el resultado, no el inglés Joule.
La segunda disputa fue con Tait sobre quién fue el primero en proponer la equivalencia de trabajo y calor. No era que ninguno de ellos reclamara esto por sí mismos, sino que la disputa era entre Tait y Tyndall sobre si Joule o Julius von Mayer tenían prioridad. Clausius tropezó con la controversia accidentalmente cuando Tyndall le pidió que le enviara todos los papeles de von Mayer. Sin embargo, Clausius publicó un artículo en 1868 afirmando que no solo von Mayer tenía prioridad, sino también la nación alemana.
Una disputa más amarga entre Tait y Clausius comenzó en 1872 cuando Maxwell publicó la Teoría del Calor. Clausius declaró que los británicos estaban tratando de reclamar más de lo que merecían por la teoría del calor, que, dijo Clausius, solo él fue el descubridor. Uno tendría que añadir que Maxwell había, durante varios años, reconocido plenamente la contribución de Clausius, por lo que tenía pocos motivos para la queja. La tristeza de la situación fue el efecto que la actitud de Clausius tuvo en sus propios logros. Daub escribe en :-

El gran legado de Clausius a la física es, sin duda, su idea del aumento irreversible de la entropía, y sin embargo no encontramos ninguna indicación de interés en el trabajo de Josiah Gibbs sobre el equilibrio químico o en las opiniones de Boltzmann sobre la termodinámica y la probabilidad, ambas totalmente dependientes de su idea. Es extraño que él mismo mostró ninguna inclinación a buscar una comprensión molecular de la entropía irreversible o para encontrar otras aplicaciones de la idea; es más extraño aún, e incluso trágico, que expresó su preocupación por el trabajo de sus contemporáneos que fueron cumplimiento de esas tareas.

Algunos historiadores afirman que Clausius hizo más uso de las ideas de otros de lo que estaba dispuesto a admitir. Por ejemplo, Kim in escribe: –

… nuestro propósito es dar sentido a lo que Clausius hizo en este largo esfuerzo. Explicamos cómo su trabajo siguió el curso particular que tomó, que involucró digresiones, lagunas e incluso algunas confusiones, y que introdujo algunos conceptos nuevos muy difíciles como “transformación sin compensación”, “disgregación” y “entropía”. Llamamos especialmente la atención sobre la idea de William Thomson de “la tendencia universal a la disipación de energía” como una posible fuente de motivación subyacente a todo el esfuerzo.

No debemos dar la impresión de que el trabajo de Clausius no era de gran importancia, ya que sin duda lo era. Tampoco debemos dar la impresión de que solo trabajó en termodinámica para, después de 1875, se concentró en la teoría electrodinámica. Dio un principio de conservación de la energía en electrodinámica relacionado con una ley de fuerza de acción a distancia que, a diferencia de la dada por Coulomb, dependía de las velocidades y aceleraciones. Clausius deliberadamente tomó decisiones en la configuración de las ecuaciones de modo que fueran:-

… en la forma más simple y, por lo tanto, más probable.

Su teoría estaba bastante de acuerdo con la mayoría de los resultados experimentales, pero, al estar basada en velocidades absolutas, resultó en una carga en reposo en la tierra sometida a una fuerza debido al movimiento de la tierra. Clausius respondió a las críticas, pero dijo que su velocidad absoluta era relativa al medio que rodeaba la carga. A pesar de las dificultades en la teoría, jugó un papel importante en el desarrollo de la teoría electrodinámica.
Clausius recibió muchos honores por su trabajo. La lista es larga y mencionaremos muy pocas. Fue elegido miembro de la Royal Society de Londres en 1868 y recibió su Medalla Copley en 1879. También recibió la Medalla Huygens en 1870, el Premio Poncelet en 1883, y recibió un doctorado honorario de la Universidad de Würzburg en 1882.
FitzGerald, en, da este fino homenaje a Clausius: –

Fue un noble ejemplo del espíritu que se dedica a beneficiar directamente a la humanidad, y que no pierde el tiempo en pequeñas elaboraciones de problemas bonitos. Él era en el sentido más elevado práctico, su trabajo es eterno, y su memoria vivirá mientras la humanidad venere a sus benefactores.