MacTutor
biografie
Rudolf Clausius ‘ vader, Rev C E G Clausius, was een raadslid van de Royal Government School Board. Hij stichtte een kleine particuliere school, die het hoofd werd, en als predikant van de kerk diende hij ook als voorganger. Rudolf werd opgevoed in een groot gezin, zijnde de zesde van de zonen van zijn vader. Hij ging een paar jaar naar de school van zijn vader en verhuisde vervolgens naar een Gymnasium in Stettin (nu Szczecin, Polen) waar hij bleef tot hij zijn school in 1840 had voltooid. Een van zijn broers, Robert Clausius, schreef dat op school: –
… allen intiem met hem leerde om zijn betrouwbaarheid en waarachtigheid te waarderen. … het grootste vertrouwen en vertrouwen werden in hem geplaatst. Zijn oordeel … werd zeer gewaardeerd.Clausius ging in 1840 naar de Universiteit van Berlijn, hoewel hij in dit stadium nog niet wist welke vakken hij zou volgen. Een tijdje voelde hij zich sterk aangetrokken tot de geschiedenis, maar uiteindelijk besloot hij zich te concentreren op wiskunde en natuurkunde. Het was in deze vakken dat hij zijn diploma rond Pasen van het jaar 1844 voltooide en vervolgens een proefjaar les gaf aan het Frederic-Werder Gymnasium. Aan het Gymnasium gaf Clausius les in wiskunde en natuurkunde.In 1846 trad hij toe tot het Koninklijk seminarie van Boeck en diende zijn proefschrift over het probleem van het gereflecteerde licht in de lucht in bij de Universiteit van Halle in 1847. Hij promoveerde met onderscheiding op 15 juli 1848. Dit vroege werk van Clausius was gericht op het verklaren van de blauwe kleur van de lucht, de rode kleuren gezien bij zonsopgang en zonsondergang, en de polarisatie van licht; zie voor details. Het bleek niet gebaseerd te zijn op de juiste fysica omdat het veronderstelde dat de effecten veroorzaakt werden door reflectie en breking van licht in plaats van Veroorzaakt te worden door de verstrooiing van licht zoals Thomson voorstelde. Maar in dit werk Clausius applied mathematics veel dieper dan enig van zijn voorgangers en het is een goede illustratie van hoe fysische problemen de ontwikkeling van de wiskunde drijven, zelfs wanneer hun fysieke basis ondeugdelijk is.Clausius ‘ eerste artikel over de mechanische warmtetheorie werd gepubliceerd in 1850. Dit is zijn beroemdste werk en we zullen hieronder de inhoud en betekenis ervan bespreken. Het belang ervan werd snel erkend en hij werd uitgenodigd op de post van Professor aan de Royal Artillery and Engineering School in Berlijn op 25 September 1850. Hij werd ook Docent aan de Universiteit van Berlijn en gaf zijn oratie aan de universiteit op 18 December.Op 29 augustus 1855 werd Clausius benoemd tot hoogleraar wiskundige natuurkunde aan het Polytechnikum in Zürich en tegelijkertijd werd hij benoemd tot hoogleraar aan de Universiteit van Zürich. Het was zeker een uitstekende plek voor Clausius om zijn ideeën door te drukken omringd door andere uitstekende wiskundigen en natuurkundigen. Hij werd nu in twee richtingen getrokken, de ene om in het wetenschappelijk uitstekende Zürich te blijven en de andere om terug te keren naar Duitsland, een land dat hij zeer liefhad. In 1858 kreeg hij een baan aangeboden aan de Polytechnic in Karlsruhe, maar hij weigerde. Het jaar daarop, op 19 November, trouwde hij met Adelheid Rimpam. Opnieuw in 1862 kreeg hij een baan aangeboden aan de Polytechnic in Brunswick, maar wees het af ondanks het aanbod van zijn vrouw ‘ s geboortestad, zoals hij deed het aanbod van Wenen vier jaar later.Toen hij in 1867 een hoogleraarschap aan de Universiteit van Würzburg aanbood, gaf hij uiting aan zijn diepe spijt over het verlaten van Zürich, maar uiteindelijk vond hij dat hij zijn wens om terug te keren naar zijn geboorteland Duitsland niet meer kon weerstaan. Hij was slechts een jaar in Würzburg toen hem een baan in München werd aangeboden. Hij wees dit aanbod af, maar in het volgende jaar, 1869, accepteerde een aanbod van een leerstoel aan de Universiteit van Bonn. Kort daarna zouden politieke gebeurtenissen echter een grote invloed hebben op Clausius ‘ leven.Bismarck was erin geslaagd een Noord-Duitse Confederatie op te richten, maar zocht een manier om de zuidelijke staten aan te moedigen zich aan te sluiten. Frankrijk geloofde dat ze de nieuwe Duitse staten gemakkelijk konden verslaan en Bismarck besefte dat een oorlog met Frankrijk de gebeurtenis zou zijn die hij nodig had om alle Duitse staten samen te brengen. Hij creëerde slim een situatie waarin hij de Fransen provoceerde tot het initiëren van de oorlog die beide partijen hadden gewild. Clausius was een Duitse patriot en hoewel hij bijna 50 jaar oud was, bood hij zijn diensten aan zijn land aan in de Frans-Pruisische Oorlog die was uitgebroken.De Duitse troepen waren veel sterker dan de Fransen hadden gedacht en al snel trok het Franse leger zich terug. Twee cruciale veldslagen bij Vionville en Gravelotte waren zeker niet beslissend voor de Duitsers die 20000 man verloren bij Gravelotte in vergelijking met een verlies van 13000 door de Fransen. Echter, toen het Duitse leger verwachtte dat de Fransen zouden oprukken en hun lichte voordeel zouden binnenhalen, trokken ze zich terug en werd het een tactische overwinning voor de Duitsers. Clausius ‘ broer Robert schreef:-
zijn brandende patriottisme stond hem niet toe om thuis inactief te blijven tijdens de oorlog van 1870-71. Hij ondernam de leiding van een ambulance corps, die hij vormde uit Bonn studenten. Tijdens de grote veldslagen bij Vionville en Gravelotte hielp hij de gewonden van de slag te dragen en hun lijden te verminderen.Clausius ontving het IJzeren Kruis in 1871 voor zijn diensten aan de Duitse veldtocht. Hij raakte echter gewond aan zijn been tijdens de gevechten en leed ernstige pijn en invaliditeit voor de rest van zijn leven. Een andere tragedie vond plaats in 1875 toen zijn vrouw stierf bij de geboorte van een kind. Het kind, dat overleefde, was hun zesde, maar slechts vier, twee jongens en twee meisjes, overleefde Clausius. Na de dood van zijn vrouw had Clausius echter de verantwoordelijkheid om zijn familie op te voeden en, samen met zijn oorlogswond, betekende dit dat hij weinig kans had op geconcentreerd academisch werk. Zijn broer schreef:-
hij was de beste en meest aanhankelijke van de vaders, volledig binnengaan in de vreugden van zijn kinderen. Hij hield zelf toezicht op het schoolwerk van zijn kinderen.Als een manier om de problemen met zijn gewonde been te overwinnen, en om hem in staat te stellen zijn lezingen gemakkelijker te bereiken, adviseerde zijn arts hem om te gaan paardrijden. Dit deed Clausius en in 1878 begon hij te rijden, al snel werd hij een deskundige ruiter. In 1884 werd hij rector van de Universiteit van Bonn, voortzetting van deze rol in 1885. In 1886 trouwde hij opnieuw. Zijn tweede vrouw was Sophie Stack Uit Essen en Clausius kreeg nog een kind, een zoon, met zijn tweede vrouw. Hij bleef werken tot aan zijn laatste ziekte; in feite, zoals zijn broer vertelde:-
zelfs op zijn laatste zieke bed hield hij een onderzoek.Clausius was een theoretisch natuurkundige, in feite speelde hij een belangrijke rol in het vestigen van de theoretische fysica als een discipline. Zoals we hierboven vermeld was zijn beroemdste Artikel Über die bewegende Kraft der Wärme read voorgelezen aan de Berlijnse Academie op 18 februari 1850 en gepubliceerd in Annalen der Physik in hetzelfde jaar. Dit papier markeert de basis van de moderne thermodynamica. In dit document : –
… Clausius verklaarde eerst het basisidee van de tweede wet van de thermodynamica. Hij gebruikte het om aan te tonen dat Voor een “Carnot-cyclus”, die warmte tussen twee warmtereservoirs bij verschillende temperaturen overbrengt en tegelijkertijd warmte omzet in arbeid, de maximale arbeid die uit een bepaalde hoeveelheid warmte wordt verkregen uitsluitend afhangt van de temperaturen van de warmtereservoirs en niet van de aard van de werkzame stof.
om de Betekenis van Clausius ‘ artikel te begrijpen moeten we een paar woorden zeggen over de theorie van de hitte die in die tijd bestond. Deze theorie, de calorie-theorie genoemd, was gebaseerd op twee axioma ‘ s, namelijk dat de warmte in het universum behouden blijft en dat de warmte in een stof een functie is van de toestand van de stof. Laplace, Poisson, Sadi Carnot en Clapeyron hadden allemaal het onderwerp ontwikkeld met behulp van deze calorische theorie als basis. In zijn artikel uit 1850 stelt Clausius echter duidelijk dat de veronderstellingen van de calorische theorie onjuist zijn en hij geeft twee wetten van de thermodynamica om de onjuiste veronderstellingen te vervangen. Hij gaf uitleg over de aard van vrije warmte en latente warmte.
de eerste wet van de thermodynamica stelt de equivalentie van warmte en werk: wanneer werk wordt gedaan door warmte dan wordt een gelijkwaardige hoeveelheid warmte verbruikt. Clausius had experimenteel bewijs van deze wet, niet uit zijn eigen experimenten, maar uit die van Joule. De aanvaarding van de eerste wet van de thermodynamica toonde onmiddellijk aan dat beide axioma ‘ s van de calorische theorie vals zijn. Clausius interpreteerde vrije warmte als de kinetische energie van de deeltjes van het lichaam. Werk gestoken in het verhogen van deze kinetische energie zou resulteren in een verhoging van de temperatuur. Latente warmte was warmte die was vernietigd in werk uitgevoerd tegen krachten tussen moleculen.
de basisvergelijking van Clausius was dus dQ = dU + dW, waarbij dQ de toename van de warmte was, dU de verandering in energie van het lichaam, en dW de verandering in extern werk. De introductie van U, de energie van het lichaam, was van grote betekenis, Hoewel Clausius het geen naam gaf. De jaren nadat zijn paper verscheen, noemde Thomson U de intrinsieke energie. Het is de totale hoeveelheid werk die theoretisch kan worden gewonnen uit een stof. We moeten opmerken dat Thomson in zijn artikel uit 1851 schrijft (zie bijvoorbeeld):-… de verdienste van het eerst vaststellen op correcte principes is geheel te danken aan Clausius.
schreef Gibbs (zie bijvoorbeeld): –
… in de memoires van Clausius … de wetenschap van de thermodynamica ontstond. … Sinds de publicatie van de memoires kan op elk moment worden gezegd dat de fundamenten van de wetenschap veilig waren, haar definities duidelijk, en haar grenzen duidelijk.
dit artikel uit 1850 bevatte een versie van de tweede wetten van de thermodynamica, namelijk dat warmte de neiging heeft om van warme naar koude lichamen te stromen. Echter: –
… dit was slechts het begin van Clausius ‘ lange betrokkenheid bij de studie van de tweede wet. In de daarop volgende vijftien jaar zou hij nog acht memoires publiceren waarin hij probeerde de tweede wet in een eenvoudiger, algemenere en wiskundige vorm te zetten.Clausius herhaalde Sadi Carnot ‘ s principe van het rendement van warmtemotoren in zijn werk. De Clausius-Clapeyronvergelijking verschijnt die de relatie uitdrukt tussen de druk en de temperatuur waarbij twee fasen van een stof in evenwicht zijn. Hij herkende entropie al in zijn artikel uit 1850 als de hoeveelheid die invariant blijft tijdens veranderingen in volume en temperatuur in een Carnot-cyclus, maar hij noemde dit belangrijke concept toen niet. Zonder het concept een naam te geven formuleerde Clausius in een memoires van 1854 de rudimenten van de theorie van het concept van de mate van transformatie-equivalentie die hij later entropie noemde. In een artikel dat hij in 1865 publiceerde wordt het concept voor het eerst een duidelijk gedefinieerd genoemd.In zijn artikel van 1865 stelde Clausius de eerste en tweede wetten van de thermodynamica in de volgende vorm vast.
1. De energie van het universum is constant.
2. De entropie van het universum neigt tot een maximum.We hebben hierboven verwezen naar het grote patriottisme van Clausius. Dit bleek voor hem in bepaalde opzichten een nadeel in zijn onderzoek. Hij was betrokken bij verschillende geschillen. Het eerste geschil was met Thomson over een resultaat van Joule dat hij in een van zijn artikelen had Geciteerd. Clausius was zeer kritisch dat een Duitser de eerste was die het resultaat vaststelde, niet de Engelsman Joule.Het tweede geschil was met Tait over wie als eerste de gelijkwaardigheid van werk en warmte voorstelde. Het was niet dat een van hen dit voor zichzelf beweerde, maar eerder was het geschil tussen Tait en Tyndall over de vraag of Joule of Julius von Mayer prioriteit had. Clausius kwam per ongeluk in de controverse terecht toen Tyndall hem had gevraagd hem alle documenten van von Mayer te sturen. In 1868 publiceerde Clausius echter een artikel waarin stond dat von Mayer niet alleen prioriteit had, maar ook de Duitse natie.Een bitterder geschil tussen Tait en Clausius begon in 1872 toen Maxwell Theory of Heat publiceerde. Clausius verklaarde dat de Britten probeerden meer op te eisen dan ze verdienden voor de theorie van de hitte die, volgens Clausius, alleen hij de ontdekker was. Men zou hieraan moeten toevoegen dat Maxwell gedurende een aantal jaren de bijdrage van Clausius volledig had erkend, zodat hij weinig redenen had voor de klacht. De droefheid van de situatie was het effect dat Clausius ‘ houding had op zijn eigen prestaties. Daub schrijft in :Clausius ‘grote erfenis aan de fysica is ongetwijfeld zijn idee van de onomkeerbare toename van entropie, en toch vinden we geen aanwijzing van interesse in Josiah Gibbs’ werk over chemisch evenwicht of Boltzmann ‘ s opvattingen over thermodynamica en waarschijnlijkheid, die beide volkomen afhankelijk waren van zijn idee. Het is vreemd dat hij zelf geen neiging toonde om een moleculair begrip van onomkeerbare entropie te zoeken of om verdere toepassingen van het idee te vinden; het is nog vreemder, en zelfs tragisch, dat hij zich geen zorgen maakte over het werk van zijn tijdgenoten die diezelfde taken voldeden.Sommige historici beweren dat Clausius meer gebruik maakte van de ideeën van anderen dan hij bereid was toe te geven. Bijvoorbeeld Kim in schrijft: –… ons doel is om te begrijpen wat Clausius deed in deze lange onderneming. We leggen uit hoe zijn werk de specifieke koers heeft gevolgd die het heeft gevolgd, die dwalingen, mazen in de wet, en zelfs enkele verwarringen inhield, en die een aantal zeer moeilijke nieuwe concepten introduceerde zoals ‘ongecompenseerde transformatie’, ‘disgregatie’ en ‘entropie’. We vestigen een bijzondere aandacht op William Thomson ‘s idee van’ de universele neiging tot de dissipatie van energie ‘ als een mogelijke bron van motivatie die ten grondslag ligt aan het hele streven.We moeten niet de indruk wekken dat Clausius ‘ werk niet van uitzonderlijk belang was voor het zeer zeker was. We moeten ook niet de indruk wekken dat hij alleen aan de thermodynamica werkte, want na 1875 concentreerde hij zich op de elektrodynamische theorie. Hij gaf een principe van behoud van energie in elektrodynamica gerelateerd aan een kracht wet van actie-op-een-afstand die, in tegenstelling tot die gegeven door Coulomb, afhankelijk van snelheden en versnellingen. Clausius maakte bewust keuzes door de vergelijkingen zo op te zetten dat ze:-
waren… in de eenvoudigste en dus meest waarschijnlijke vorm.Zijn theorie was vrij goed in overeenstemming met de meeste experimentele resultaten, maar, gebaseerd op absolute snelheden, resulteerde in een lading die in rust op de aarde werd onderworpen aan een kracht als gevolg van de beweging van de aarde. Clausius antwoordde op de kritiek, maar zei dat zijn absolute snelheid relatief was ten opzichte van het medium rond de lading. Ondanks de moeilijkheden in de theorie speelde het een belangrijke rol in de ontwikkeling van de elektrodynamische theorie.
Clausius ontving vele onderscheidingen voor zijn werk. De lijst is lang en we zullen er slechts een paar noemen. Hij werd verkozen tot Fellow van de Royal Society of London in 1868 en ontving de Copley Medal in 1879. Hij ontving ook de Huygens-medaille in 1870, de Poncelet-prijs in 1883 en een eredoctoraat van de Universiteit van Würzburg in 1882.FitzGerald, in, geef dit mooie eerbetoon aan Clausius:-hij was een nobel voorbeeld van de geest die zich wijdt aan het direct ten goede komen van de mensheid, en die geen tijd verspilt aan kleinzielige uitwerkingen van mooie problemen. Hij was in de hoogste zin praktisch, zijn werk is eeuwig en zijn herinnering zal leven zolang de mensheid haar weldoeners eerbiedigt.
