MacTutor

biografia

ojciec Rudolfa Clausiusa, Rev C E G Clausius, był radcą Królewskiej rządowej Rady Szkolnej. Założył małą prywatną szkołę, stając się jej dyrektorem, a jako duszpasterz kościoła pełnił również funkcję jej pastora. Rudolf wychowywał się w wielodzietnej rodzinie, będąc szóstym z synów ojca. Przez kilka lat uczęszczał do szkoły ojca, a następnie przeniósł się do Gimnazjum w Szczecinie, gdzie pozostał aż do ukończenia szkoły w 1840 roku. Jeden z jego braci, Robert Clausius, napisał to w szkole: –

… wszyscy, którzy byli z nim blisko, nauczyli się doceniać jego rzetelność i prawdomówność. … pokładano w nim największe zaufanie i zaufanie. Jego osąd … był wysoko ceniony.

Clausius wstąpił na Uniwersytet w Berlinie w 1840 r., chociaż na tym etapie wciąż nie był jasny, które przedmioty będzie kontynuował. Przez pewien czas mocno pociągała go historia, ale w końcu zdecydował się skoncentrować na matematyce i fizyce. To właśnie z tych przedmiotów ukończył studia do Wielkanocy roku 1844, a następnie spędził rok próbny ucząc w Gimnazjum im. Fryderyka Werdera. W Gimnazjum Clausius prowadził zaawansowane zajęcia z matematyki i fizyki.
w 1846 r.wstąpił do Królewskiego Seminarium Duchownego w Boeck, a w 1847 r. przedstawił na Uniwersytecie w Halle swoją dysertację na temat światła odbitego na niebie. Doktorat z wyróżnieniem otrzymał 15 lipca 1848. Ta wczesna praca Clausiusa miała na celu wyjaśnienie niebieskiego koloru nieba, czerwonych kolorów widocznych przy wschodzie i zachodzie słońca oraz polaryzacji światła; zobacz szczegóły. Okazało się, że nie jest on oparty na poprawnej fizyce, ponieważ zakładał, że efekty są spowodowane odbiciem i załamaniem światła, a nie są spowodowane rozpraszaniem światła, jak zaproponował Thomson. Jednak w tej pracy Clausius zastosował matematykę znacznie głębiej niż którykolwiek z jego poprzedników i jest to dobra ilustracja tego, jak problemy fizyczne napędzają rozwój matematyki, nawet jeśli ich fizyczna podstawa jest niezdrowa.
pierwsza praca Clausiusa na temat mechanicznej teorii ciepła została opublikowana w 1850 roku. Jest to jego najsłynniejsze dzieło i omówimy poniżej jego treść i znaczenie. Jego znaczenie szybko zostało docenione i 25 września 1850 roku został zaproszony na stanowisko profesora w Królewskiej Szkole Artylerii i Inżynierii w Berlinie. Został także docentem na Uniwersytecie w Berlinie i 18 grudnia wygłosił na tej uczelni wykład inauguracyjny.
29 sierpnia 1855 roku Clausius został powołany na katedrę fizyki matematycznej na Polytechnikum w Zurychu i jednocześnie został powołany na Uniwersytet w Zurychu. Z pewnością było to doskonałe miejsce dla Clausiusa, aby popchnąć swoje idee w otoczeniu innych znakomitych matematyków i fizyków. Został teraz pociągnięty w dwóch kierunkach, jednym z nich był pobyt w Zurychu, a drugim powrót do Niemiec, kraju, który głęboko kochał. W 1858 roku zaproponowano mu posadę na Politechnice w Karlsruhe, ale ją odrzucił. W następnym roku, 19 listopada, poślubił Adelheid Rimpam. Ponownie w 1862 r. zaproponowano mu posadę na Politechnice w Brunszwiku, ale odrzucił ją pomimo propozycji płynącej z rodzinnego miasta żony, podobnie jak ofertę z Wiednia cztery lata później.

następnie w 1867 r., gdy zaoferowano mu profesurę na Uniwersytecie w Würzburgu, przyjął ją, wyrażając głęboki żal z powodu opuszczenia Zurychu, ale ostatecznie stwierdzając, że nie może już dłużej opierać się chęci powrotu do rodzinnych Niemiec. W Würzburgu przebywał tylko rok, kiedy zaproponowano mu posadę w Monachium. Odrzucił tę propozycję, ale w następnym roku, 1869, przyjął propozycję objęcia katedry na Uniwersytecie w Bonn. Wkrótce jednak wydarzenia polityczne miały duży wpływ na życie Clausiusa.
Bismarckowi udało się stworzyć Konfederację północnoniemiecką, ale szukał sposobu na zachęcenie południowych państw do przyłączenia się. Francja wierzyła, że mogą łatwo pokonać nowe państwa niemieckie, a Bismarck zdawał sobie sprawę, że wojna z Francją będzie wydarzeniem, którego potrzebuje, aby zjednoczyć wszystkie państwa niemieckie. Sprytnie zaplanował sytuację, w której sprowokował Francuzów do rozpoczęcia wojny, której obie strony pragnęły. Clausius był niemieckim patriotą i choć miał prawie 50 lat, zaoferował swoje usługi swojemu krajowi w wojnie francusko-pruskiej, która wybuchła.
siły niemieckie były znacznie silniejsze niż Francuzi przypuszczali i wkrótce armia francuska wycofała się. Dwie kluczowe bitwy pod Vionville i Gravelotte z pewnością nie były decydujące dla Niemców, którzy stracili 20000 ludzi pod Gravelotte w porównaniu do straty 13000 przez Francuzów. Jednak gdy armia niemiecka spodziewała się, że Francuzi posuwają się naprzód i odpierają do domu swoją niewielką przewagę, wycofali się i stało się to taktycznym zwycięstwem dla Niemców. Brat Clausiusa Robert napisał: –

jego płonący patriotyzm nie pozwolił mu pozostać bezczynnym w domu podczas wojny 1870-71. Objął dowodzenie korpusem pogotowia ratunkowego, który utworzył ze studentów z Bonn. W wielkich bitwach pod Vionville i Gravelotte pomagał w wyprowadzaniu rannych z bitwy i zmniejszaniu ich cierpienia.

Clausius otrzymał w 1871 roku Krzyż Żelazny za zasługi w kampanii Niemieckiej . Podczas walk został jednak ranny w nogę i do końca życia cierpiał silny ból i kalectwo. Kolejna tragedia wydarzyła się w 1875 roku, gdy jego żona zmarła przy narodzinach dziecka. Dziecko, które przeżyło, było szóste, ale tylko czworo, dwóch chłopców i dwie dziewczynki, przeżyło Clausiusa. Jednak po śmierci żony Clausius miał obowiązek wychowywać rodzinę i, wraz z ranami wojennymi, oznaczało to, że miał niewielkie szanse na skoncentrowaną pracę naukową. Brat napisał:-

był najlepszym i najbardziej czułym z ojców, w pełni wchodząc w radości swoich dzieci. Sam nadzorował pracę szkolną swoich dzieci.

jako sposób na przezwyciężenie problemów z uszkodzoną nogą i umożliwienie mu łatwiejszego dotarcia do wykładów, lekarz zalecił mu podjęcie jazdy konnej. To zrobił Clausius i w 1878 roku zajął się jeździectwem, wkrótce stając się doświadczonym jeźdźcem. W 1884 został rektorem Uniwersytetu w Bonn, kontynuując tę funkcję w 1885. Następnie, w 1886 roku, ożenił się ponownie. Jego drugą żoną była Zofia Stack z Essen, z drugą żoną Clausius miał jeszcze jedno dziecko, syna. Kontynuował pracę aż do swojej ostatniej choroby; w rzeczywistości, jak wspominał jego brat: –

nawet na ostatnim łóżku chorego odbył badanie.

Clausius był fizykiem teoretycznym, w rzeczywistości odegrał ważną rolę w ustanowieniu fizyki teoretycznej jako dyscypliny. Jak już wspomnieliśmy, jego najsłynniejszą pracą był Über die bewegende Kraft der Wärme read odczytany Akademii berlińskiej 18 lutego 1850 roku i opublikowany w Annalen der Physik w tym samym roku. Niniejsza praca stanowi fundament współczesnej termodynamiki. W tym artykule: –

… Clausius jako pierwszy przedstawił podstawową ideę drugiej zasady termodynamiki. Wykorzystał to, pokazując, że w “cyklu Carnota”, który przekazuje ciepło między dwoma zbiornikami ciepła w różnych temperaturach i jednocześnie zamienia ciepło na pracę, maksymalna praca uzyskana z danej ilości ciepła zależy wyłącznie od temperatury zbiorników ciepła, a nie od Natury substancji roboczej.

aby zrozumieć znaczenie referatu Clausiusa, powinniśmy powiedzieć kilka słów o teorii ciepła, która istniała w tym czasie. Teoria ta, zwana teorią kaloryczną, opierała się na dwóch aksjomatach, mianowicie, że ciepło we wszechświecie jest zachowane, a ciepło w substancji jest funkcją stanu substancji. Laplace, Poisson, Sadi Carnot i Clapeyron rozwinęli temat, wykorzystując teorię kalorii jako podstawę. Jednak w swojej pracy z 1850 roku Clausius stwierdza wyraźnie, że założenia teorii kalorycznej są fałszywe i podaje dwa prawa termodynamiki, aby zastąpić błędne założenia. Podał wyjaśnienia natury ciepła swobodnego i ciepła utajonego.
pierwsze prawo termodynamiki mówi o równoważności ciepła i pracy: gdy praca jest wykonywana przez ciepło, zużywana jest równoważna ilość ciepła. Clausius miał eksperymentalne dowody na to prawo, nie z własnych eksperymentów, ale z eksperymentów Joule ‘ a. Przyjęcie pierwszego prawa termodynamiki od razu pokazało, że oba aksjomaty teorii kalorycznej są fałszywe. Clausius interpretował ciepło swobodne jako energię kinetyczną cząstek ciała. Praca włożona w zwiększenie tej energii kinetycznej spowodowałaby wzrost temperatury. Ciepło utajone to ciepło, które zostało zniszczone w pracy wykonywanej przeciwko siłom między cząsteczkami.

podstawowym równaniem ustalonym przez Clausiusa było więc dQ = dU + dW, gdzie DQ to przyrost ciepła, dU to zmiana energii ciała, a dW to zmiana wykonywanej pracy zewnętrznej. Wprowadzenie U, energii ciała, miało duże znaczenie, chociaż Clausius nie nadał mu nazwy. Lata po ukazaniu się jego artykułu Thomson nazwał u the intrinsic energy. Jest to całkowita ilość pracy, którą można teoretycznie wyekstrahować z substancji. Należy zauważyć, że Thomson w swojej pracy z 1851 roku pisze (patrz na przykład):-

… zasługa pierwszego ustanowienia prawidłowych zasad jest w całości zasługą Clausiusa.

Gibbs napisał (patrz np.):-

… we wspomnieniach Clausiusa … powstała nauka termodynamiki. … W każdym momencie od czasu publikacji pamiętnika można powiedzieć, że podstawy nauki były bezpieczne, jej definicje jasne, a jej granice wyraźne.

ten artykuł z 1850 roku zawierał wersję drugich praw termodynamiki, mianowicie, że ciepło ma tendencję do przepływu z ciał gorących do zimnych. Jednak: –

… był to dopiero początek długiego zaangażowania Clausiusa w badania nad drugim prawem. W ciągu następnych piętnastu lat miał opublikować osiem kolejnych pamiętników, w których próbował umieścić drugie prawo w prostszej, bardziej ogólnej i matematycznej formie.

Clausius powtórzył w swojej pracy zasadę sprawności silników cieplnych Sadiego Carnota. Pojawia się równanie Clausiusa-Clapeyrona, które wyraża zależność między ciśnieniem a temperaturą, w której dwie fazy substancji znajdują się w równowadze. Entropię uznawał za ilość, która pozostaje niezmienna podczas zmian objętości i temperatury w cyklu Carnota już w pracy z 1850 roku, ale nie wymienił tego ważnego pojęcia w tamtym czasie. Jeszcze nie nadając pojęciu nazwy Clausius sformułował w pamiętniku z 1854 roku Podstawy teorii pojęcia miary równoważności transformacji nazwał później entropią. W pracy, którą opublikował w 1865 roku, po raz pierwszy pojęcie to zostało nazwane jasno zdefiniowanym.
w swojej pracy z 1865 roku Clausius sformułował pierwsze i drugie prawa termodynamiki w następującej formie.

wspominaliśmy już o wielkim patriotyzmie Clausiusa. Okazało się to dla niego w pewnym stopniu niekorzystne w jego badaniach naukowych. Brał udział w różnych sporach. Pierwszy spór toczył się z Thomsonem o wynik Joule ‘ a, który zacytował w jednej ze swoich prac. Clausius był bardzo krytyczny, że to Niemiec jako pierwszy ustalił wynik, a nie Anglik Joule.
drugi spór toczył się z Taitem o to, kto jako pierwszy zaproponował równoważność pracy i ciepła. Nie było tak, że żaden z nich twierdził to dla siebie, ale raczej spór był między Tait i Tyndall o to, czy Joule lub Julius von Mayer miał pierwszeństwo. Clausius natknął się na kontrowersje zupełnie przypadkowo, gdy Tyndall poprosił go o przesłanie mu wszystkich dokumentów von Mayera. Clausius opublikował artykuł w 1868 roku, w którym stwierdził, że nie tylko von Mayer miał pierwszeństwo, ale także naród niemiecki.

bardziej gorzki spór między Taitem a Clausiusem rozpoczął się w 1872 roku, kiedy Maxwell opublikował teorię ciepła. Clausius stwierdził, że Brytyjczycy starają się domagać więcej, niż zasługiwali na teorię ciepła, która, jak powiedział Clausius, tylko on był odkrywcą. Trzeba by dodać, że Maxwell przez wiele lat w pełni uznawał wkład Clausiusa, więc nie miał podstaw do skargi. Smutek sytuacji był efektem, jaki postawa Clausiusa wywarła na jego własnych osiągnięciach. Daub pisze w :-

wielkim dziedzictwem Clausiusa dla fizyki jest niewątpliwie jego idea nieodwracalnego wzrostu entropii, a jednak nie znajdujemy oznak zainteresowania pracami Josiaha Gibbsa nad równowagą chemiczną lub poglądami Boltzmanna na termodynamikę i prawdopodobieństwo, które były całkowicie zależne od jego idei. Dziwnym jest, że sam nie wykazywał skłonności do poszukiwania molekularnego zrozumienia nieodwracalnej entropii ani do szukania dalszych zastosowań tej idei; dziwnym jest jednak, a nawet tragicznym, że nie wyrażał troski o pracę swoich współczesnych, którzy realizowali te właśnie zadania.

niektórzy historycy twierdzą, że Clausius bardziej korzystał z idei innych, niż był gotów przyznać. Na przykład Kim pisze: –

… naszym celem jest zrozumieć, co Clausius zrobił w tym długim przedsięwzięciu. Wyjaśniamy, w jaki sposób jego praca podążała określonym kursem, który obrał, który obejmował dygresje, luki, a nawet pewne nieporozumienia i który wprowadził bardzo trudne nowe pojęcia, takie jak “nieskompensowana transformacja”, “wstręt” i “Entropia”. Zwracamy szczególną uwagę na ideę Williama Thomsona “powszechnej tendencji do rozpraszania energii” jako możliwego źródła motywacji leżącej u podstaw całego przedsięwzięcia.

nie możemy sprawiać wrażenia, że dzieło Clausiusa nie miało dla niego wybitnego znaczenia. Nie można też odnieść wrażenia, że zajmował się tylko termodynamiką, po 1875 skoncentrował się na teorii elektrodynamiki. Podał zasadę zachowania energii w elektrodynamice związaną z prawem siły działania na odległość, które, w przeciwieństwie do podanego przez Coulomba, zależało od prędkości i przyspieszeń. Clausius celowo dokonał wyboru w ustawieniu równań tak, aby były: –

… w najprostszej, a więc najbardziej prawdopodobnej formie.

jego teoria była w dość dobrej zgodzie z większością wyników eksperymentalnych, ale opierając się na absolutnych prędkościach, spowodowało, że ładunek w spoczynku na Ziemi został poddany sile spowodowanej ruchem Ziemi. Clausius odpowiedział na krytykę, twierdząc jednak, że jego prędkość absolutna jest względna do medium otaczającego ładunek. Pomimo trudności w teorii odegrał ważną rolę w rozwoju teorii elektrodynamicznej.
Clausius otrzymał wiele wyróżnień za swoją pracę. Lista jest długa i wymienimy tylko kilka. W 1868 został wybrany członkiem Royal Society of London, a w 1879 otrzymał Medal Copleya. Otrzymał także Medal Huygensa w 1870 roku, Nagrodę Ponceleta w 1883 roku, a w 1882 roku otrzymał doktorat honoris causa Uniwersytetu w Würzburgu.
FitzGerald, w , daj ten piękny hołd Clausiusowi:-

był szlachetnym przykładem ducha, który poświęca się bezpośrednio przynosząc ludzkości, i który nie marnuje czasu na drobne opracowania ładnych problemów. Był w najwyższym znaczeniu praktyczny, jego dzieło jest wieczne, a jego pamięć będzie żyć tak długo, jak ludzkość szanuje swoich dobroczyńców.