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Biographie

Le père de Rudolf Clausius, le révérend Clausius, était conseiller du Conseil scolaire du Gouvernement royal. Il fonda une petite école privée, dont il devint le directeur, et en tant que ministre de l’Église, il en fut également le pasteur. Rudolf a été élevé dans une famille nombreuse, étant le sixième des fils de son père. Il fréquente l’école de son père pendant quelques années, puis s’installe dans un gymnase à Stettin (aujourd’hui Szczecin, en Pologne) où il reste jusqu’à la fin de sa scolarité en 1840. Un de ses frères, Robert Clausius, a écrit à l’école : –

… tous les intimes avec lui ont appris à estimer sa fiabilité et sa véracité. … la plus grande confiance et la plus grande confiance ont été placées en lui. Son jugement… était très apprécié.

Clausius entra à l’Université de Berlin en 1840 bien qu’à ce stade, il ne savait toujours pas quels sujets il allait poursuivre. Pendant un certain temps, il a été fortement attiré par l’histoire, mais il a finalement décidé de se concentrer sur les mathématiques et la physique. C’est dans ces matières qu’il a obtenu son diplôme à Pâques de l’année 1844, puis a passé une année probatoire à enseigner au gymnase Frederic-Werder. Au gymnase Clausius enseignait les cours avancés de mathématiques et de physique.
En 1846, il entre au Séminaire royal de Boeck et soumet sa thèse, sur le problème de la lumière réfléchie dans le ciel, à l’Université de Halle en 1847. Il obtient son doctorat, avec distinction, le 15 juillet 1848. Ce premier travail de Clausius visait à expliquer la couleur bleue du ciel, les couleurs rouges vues au lever et au coucher du soleil et la polarisation de la lumière; voir pour plus de détails. Il s’est avéré qu’il n’était pas basé sur une physique correcte car il supposait que les effets étaient causés par la réflexion et la réfraction de la lumière plutôt que par la diffusion de la lumière comme le proposait Thomson. Cependant, dans ce travail, Clausius a appliqué les mathématiques beaucoup plus profondément que n’importe lequel de ses prédécesseurs et c’est une bonne illustration de la façon dont les problèmes physiques stimulent le développement des mathématiques, même lorsque leur base physique n’est pas solide.
Le premier article de Clausius sur la théorie mécanique de la chaleur a été publié en 1850. C’est son œuvre la plus célèbre et nous discuterons ci-dessous de son contenu et de sa signification. Son importance est rapidement reconnue et il est invité au poste de professeur à l’École Royale d’Artillerie et d’Ingénierie de Berlin le 25 septembre 1850. Il est également devenu Docent à l’Université de Berlin et a donné sa conférence inaugurale à l’Université le 18 décembre.

Le 29 août 1855, Clausius a été nommé à la Chaire de Physique mathématique du Polytechnikum de Zürich et en même temps, il a également été nommé à l’Université de Zürich. C’était certainement un excellent endroit pour Clausius pour faire avancer ses idées entouré d’autres excellents mathématiciens et physiciens. Il était maintenant tiré dans deux directions, l’une étant de rester au scientifiquement excellent Zürich et l’autre de retourner en Allemagne, un pays qu’il aimait profondément. En 1858, on lui offrit un poste à l’École polytechnique de Karlsruhe, mais il refusa. L’année suivante, le 19 novembre, il épouse Adelheid Rimpam. De nouveau en 1862, on lui offrit un poste à l’École polytechnique de Brunswick, mais il refusa malgré l’offre venant de la ville natale de sa femme, comme il le fit de Vienne quatre ans plus tard.
Puis, en 1867, quand l’Université de Würzburg lui a proposé un poste de professeur, il a accepté, exprimant un profond regret de quitter Zürich, mais constatant finalement qu’il ne pouvait plus résister à son souhait de retourner dans son Allemagne natale. Il n’avait passé qu’un an à Würzburg lorsqu’on lui a proposé un poste à Munich. Il refusa cette offre mais l’année suivante, 1869, accepta une offre de chaire à l’Université de Bonn. Peu de temps après, cependant, les événements politiques auront un effet majeur sur la vie de Clausius.
Bismarck avait réussi à créer une Confédération d’Allemagne du Nord mais cherchait un moyen d’encourager les États du sud à s’y joindre. La France croyait pouvoir facilement vaincre les nouveaux États allemands et Bismarck réalisa qu’une guerre avec la France serait l’événement dont il avait besoin pour rassembler tous les États allemands. Il a habilement conçu une situation dans laquelle il a incité les Français à déclencher la guerre que les deux parties avaient voulue. Clausius était un patriote allemand et, bien qu’il approchait de l’âge de 50 ans, il offrit ses services à son pays lors de la guerre franco-prussienne qui avait éclaté.
Les forces allemandes étaient bien plus fortes que ce que les Français avaient imaginé et bientôt l’armée française était en retraite. Deux batailles cruciales à Vionville et Gravelotte n’ont certainement pas été décisives pour les Allemands qui ont perdu 20000 hommes à Gravelotte contre une perte de 13000 par les Français. Cependant, lorsque l’armée allemande s’attendait à ce que les Français avancent et reprennent leur léger avantage, ils se retirent et cela devient une victoire tactique pour les Allemands. Le frère de Clausius, Robert, a écrit: –

Son patriotisme brûlant ne lui a pas permis de rester inactif chez lui pendant la guerre de 1870-71. Il a pris la direction d’un corps d’ambulances, qu’il a formé d’étudiants de Bonn. Aux grandes batailles de Vionville et de Gravelotte, il aida à porter les blessés de la bataille et à atténuer leurs souffrances.

Clausius a reçu la Croix de fer en 1871 pour ses services à la campagne d’Allemagne. Cependant, il a été blessé à la jambe pendant les combats et a souffert de douleurs intenses et d’invalidité pour le reste de sa vie. Une autre tragédie s’est produite en 1875 lorsque sa femme est décédée à la naissance d’un enfant. L’enfant, qui a survécu, était leur sixième, mais seulement quatre, deux garçons et deux filles, ont survécu à Clausius. Cependant, après la mort de sa femme, Clausius avait la responsabilité d’élever sa famille et, avec sa blessure de guerre, il avait peu de chances de se consacrer à un travail académique concentré. Son frère a écrit:-

Il était le meilleur et le plus affectueux des pères, entrant pleinement dans les joies de ses enfants. Il supervisait lui-même les travaux scolaires de ses enfants.

Pour surmonter les problèmes de sa jambe blessée, et pour lui permettre d’accéder plus facilement à ses conférences, son médecin lui a conseillé de se lancer dans l’équitation. C’est ce qu’a fait Clausius et, en 1878, il s’est mis à l’équitation, devenant bientôt un cavalier expert. En 1884, il est devenu recteur de l’Université de Bonn, continuant dans ce rôle en 1885. Puis, en 1886, il se remarie. Sa deuxième épouse était Sophie Stack d’Essen et Clausius a eu un autre enfant, un fils, avec sa deuxième femme. Il a continué à travailler jusqu’à sa dernière maladie ; en fait, comme le racontait son frère : –

Même sur son dernier lit de malade, il a passé un examen.

Clausius était un physicien théoricien, en fait il a joué un rôle important dans l’établissement de la physique théorique en tant que discipline. Comme nous l’avons mentionné plus haut, son article le plus célèbre était Über die bewegende Kraft der Wärme read lu à l’Académie de Berlin le 18 février 1850 et publié dans Annalen der Physik la même année. Cet article marque le fondement de la thermodynamique moderne. Dans cet article : –

… Clausius a d’abord énoncé l’idée de base de la deuxième loi de la thermodynamique. Il l’a utilisé pour montrer que pour un “cycle de Carnot”, qui transmet de la chaleur entre deux réservoirs de chaleur à des températures différentes et convertit en même temps la chaleur en travail, le travail maximal obtenu à partir d’une quantité donnée de chaleur dépend uniquement des températures des réservoirs de chaleur et non de la nature de la substance de travail.

Pour comprendre la signification de l’article de Clausius, nous devrions dire quelques mots sur la théorie de la chaleur qui existait à cette époque. Cette théorie, appelée théorie calorique, était basée sur deux axiomes, à savoir que la chaleur dans l’univers est conservée et que la chaleur dans une substance est fonction de l’état de la substance. Laplace, Poisson, Sadi Carnot et Clapeyron avaient tous développé le sujet en utilisant cette théorie calorique comme base. Cependant, dans son article de 1850, Clausius déclare clairement que les hypothèses de la théorie calorique sont fausses et il donne deux lois de la thermodynamique pour remplacer les hypothèses incorrectes. Il a donné des explications sur la nature de la chaleur libre et de la chaleur latente.
La Première Loi de la thermodynamique énonce l’équivalence de la chaleur et du travail: chaque fois que le travail est effectué par la chaleur, une quantité équivalente de chaleur est consommée. Clausius avait des preuves expérimentales de cette loi, non pas de ses propres expériences mais de celles de Joule. L’acceptation de la Première Loi de la thermodynamique a immédiatement montré que les deux axiomes de la théorie calorique sont faux. Clausius a interprété la chaleur libre comme l’énergie cinétique des particules du corps. Les travaux visant à augmenter cette énergie cinétique entraîneraient une augmentation de la température. La chaleur latente était la chaleur qui avait été détruite dans le travail effectué contre les forces entre les molécules.
L’équation de base établie par Clausius était donc dQ = dU + dW où dQ était l’accroissement de la chaleur, dU était le changement d’énergie du corps et dW était le changement du travail externe effectué. L’introduction de U, l’énergie du corps, était d’une grande importance bien que Clausius ne lui ait pas donné de nom. Les années qui ont suivi la parution de son article, Thomson a appelé U l’énergie intrinsèque. C’est la quantité totale de travail qui pourrait théoriquement être extraite d’une substance. Notons que Thomson, dans son article de 1851, écrit (voir par exemple) : –

… le mérite d’établir d’abord des principes corrects est entièrement dû à Clausius.

Gibbs a écrit (voir par exemple): –

… dans les mémoires de Clausius… la science de la thermodynamique a vu le jour. … On pourrait dire à tout moment depuis la publication du mémoire que les fondements de la science étaient sûrs, ses définitions claires et ses limites distinctes.

Cet article de 1850 contenait une version des Deuxièmes Lois de la thermodynamique, à savoir que la chaleur tend à s’écouler des corps chauds vers les corps froids. Cependant : –

… ce n’était que le début de la longue participation de Clausius à l’étude de la deuxième loi. Au cours des quinze années suivantes, il devait publier huit autres mémoires dans lesquels il essayait de mettre la deuxième loi sous une forme plus simple, plus générale et mathématique.

Clausius a réaffirmé le principe de l’efficacité des moteurs thermiques de Sadi Carnot dans son travail. L’équation de Clausius-Clapeyron apparaît qui exprime la relation entre la pression et la température à laquelle deux phases d’une substance sont en équilibre. Il a reconnu l’entropie comme la quantité qui reste invariante lors des changements de volume et de température dans un cycle de Carnot dès son article de 1850, mais il n’a pas nommé ce concept important à cette époque. Toujours sans donner de nom au concept, Clausius formula, dans un mémoire de 1854, les rudiments de la théorie du concept de mesure d’équivalence de transformation qu’il appellera plus tard entropie. Dans un article qu’il a publié en 1865, le concept est nommé clairement défini pour la première fois.
Dans son article de 1865, Clausius a énoncé les Première et Deuxième lois de la thermodynamique sous la forme suivante.

Nous avons évoqué ci-dessus le grand patriotisme montré par Clausius. Cela s’est avéré quelque peu désavantageux pour lui à certains égards dans ses recherches. Il a été impliqué dans divers litiges. La première dispute eut lieu avec Thomson au sujet d’un résultat de Joule qu’il avait cité dans l’un de ses papiers. Clausius était très critique sur le fait qu’un Allemand avait été le premier à établir le résultat, pas l’Anglais Joule.
Le deuxième différend portait sur Tait pour savoir qui était le premier à proposer l’équivalence du travail et de la chaleur. Ce n’est pas l’un ou l’autre d’entre eux qui le réclamait pour eux-mêmes, mais le différend opposait Tait et Tyndall pour savoir si Joule ou Julius von Mayer avaient la priorité. Clausius est tombé accidentellement dans la controverse lorsque Tyndall lui avait demandé de lui envoyer tous les papiers de Von Mayer. Cependant, Clausius publia ensuite un article en 1868 indiquant que non seulement Von Mayer avait la priorité, mais la nation allemande aussi.
Un différend plus âpre entre Tait et Clausius a commencé en 1872 lorsque Maxwell a publié La Théorie de la chaleur. Clausius a déclaré que les Britanniques essayaient de réclamer plus qu’ils ne le méritaient pour la théorie de la chaleur dont, selon Clausius, il était le seul découvreur. Il faut ajouter que Maxwell avait, pendant un certain nombre d’années, pleinement reconnu la contribution de Clausius, de sorte qu’il avait peu de motifs pour la plainte. La tristesse de la situation était l’effet que l’attitude de Clausius avait sur ses propres réalisations. Daub écrit dans :-

Le grand héritage de Clausius à la physique est sans aucun doute son idée de l’augmentation irréversible de l’entropie, et pourtant nous ne trouvons aucune indication d’intérêt pour les travaux de Josiah Gibbs sur l’équilibre chimique ou les vues de Boltzmann sur la thermodynamique et la probabilité, qui dépendaient toutes deux totalement de son idée. Il est étrange que lui-même n’ait montré aucune inclination à chercher une compréhension moléculaire de l’entropie irréversible ou à trouver d’autres applications de l’idée; il est encore plus étrange, et même tragique, qu’il n’ait exprimé aucune préoccupation pour le travail de ses contemporains qui accomplissaient ces tâches mêmes.

Certains historiens affirment que Clausius a utilisé plus les idées des autres qu’il n’était prêt à l’admettre. Par exemple Kim in écrit: –

… notre but est de donner un sens à ce que Clausius a fait dans cette longue entreprise. Nous expliquons comment son travail a suivi le cours particulier qu’il a suivi, qui impliquait des digressions, des failles et même quelques confusions, et qui a introduit de nouveaux concepts très difficiles comme la “transformation non compensée”, la “désagrégation” et l'”entropie”. Nous attirons une attention particulière sur l’idée de William Thomson de “la tendance universelle à la dissipation d’énergie” comme source possible de motivation sous-jacente à l’ensemble de l’entreprise.

Il ne faut pas donner l’impression que l’œuvre de Clausius n’était pas d’une importance exceptionnelle car elle l’était certainement. Il ne faut pas non plus donner l’impression qu’il n’a travaillé que sur la thermodynamique car, après 1875, il s’est concentré sur la théorie électrodynamique. Il a donné un principe de conservation de l’énergie en électrodynamique lié à une loi de force d’action à distance qui, contrairement à celle donnée par Coulomb, dépendait des vitesses et des accélérations. Clausius a délibérément fait des choix dans la mise en place des équations pour qu’elles soient: –

… sous la forme la plus simple et donc la plus probable.

Sa théorie était en assez bon accord avec la plupart des résultats expérimentaux mais, étant basée sur des vitesses absolues, une charge au repos sur la terre était soumise à une force due au mouvement de la terre. Clausius a répondu aux critiques, mais en disant que sa vitesse absolue était relative au milieu entourant la charge. Malgré les difficultés de la théorie, il a joué un rôle important dans le développement de la théorie électrodynamique.
Clausius a reçu de nombreuses distinctions pour son travail. La liste est longue et nous n’en citerons que très peu. Il a été élu membre de la Royal Society de Londres en 1868 et a reçu sa médaille Copley en 1879. Il a également reçu la Médaille Huygens en 1870, le Prix Poncelet en 1883, et il a reçu un doctorat honorifique de l’Université de Würzburg en 1882.
FitzGerald, en, rend ce bel hommage à Clausius: –

Il était un noble exemple de l’esprit qui se consacre au bénéfice direct de l’humanité, et qui ne perd pas de temps sur de petites élaborations de jolis problèmes. Il était au sens le plus élevé pratique, son œuvre est éternelle et sa mémoire vivra aussi longtemps que l’humanité vénérera ses bienfaiteurs.