MacTutor

biografi

Rudolf Clausius far, Rev C E G Clausius, var en rådgivare för Kungliga regeringens skolstyrelse. Han grundade en liten privatskola, blev dess rektor, och som kyrkans minister tjänade han också som dess pastor. Rudolf växte upp i en stor familj och var den sjätte av sin fars söner. Han gick på sin fars skola i några år och flyttade sedan till ett Gymnasium i Stettin (nu Szczecin, Polen) där han stannade tills han hade avslutat sin skolgång 1840. En av hans bröder, Robert Clausius, skrev det i skolan: –

… alla intima med honom lärde sig att uppskatta hans tillförlitlighet och sanningsenlighet. … det största förtroendet och förtroendet placerades i honom. Hans dom … var högt värderad.

Clausius gick in i universitetet i Berlin 1840, men i detta skede var han fortfarande inte klar över vilka ämnen han skulle bedriva. Ett tag var han starkt lockad mot historien, men slutligen bestämde han sig för att koncentrera sig på matematik och fysik. Det var i dessa ämnen som han avslutade sin examen vid påsk år 1844 och sedan tillbringade ett provår undervisning vid Frederic-Werder Gymnasium. På gymnasiet undervisade Clausius de avancerade klasserna i matematik och fysik.
år 1846 gick han in i Boecks Kungliga seminarium och överlämnade sin avhandling om problemet med reflekterat ljus på himlen till Halle University 1847. Han fick sin doktorsexamen, med distinktion, den 15 juli 1848. Detta tidiga arbete av Clausius syftade till att förklara himmelens blå färg, de röda färgerna som ses vid soluppgång och solnedgång och polariseringen av ljus; se för detaljer. Det har visat sig inte vara baserat på korrekt fysik eftersom det antog att effekterna orsakades av reflektion och brytning av ljus snarare än att orsakas av spridningen av ljus som Thomson föreslog. Men i detta arbete Clausius tillämpad matematik långt djupare än någon av sina föregångare och det är en bra illustration av hur fysiska problem driver utvecklingen av matematik även när deras fysiska grund är osund.
Clausius första uppsats om den mekaniska teorin om värme publicerades 1850. Detta är hans mest kända verk och vi kommer att diskutera nedan dess innehåll och betydelse. Dess betydelse erkändes snabbt och han blev inbjuden till posten som Professor vid Royal Artillery and Engineering School i Berlin den 25 September 1850. Han blev också Docent vid universitetet i Berlin och höll sin inledande föreläsning vid universitetet den 18 December.
den 29 augusti 1855 Clausius utnämndes till ordförande för Matematisk fysik vid Polytechnikum i Z. Det var verkligen en utmärkt plats för Clausius att driva fram sina tankar omgivna av andra utmärkta matematiker och fysiker. Han drogs nu i två riktningar, den ena var att stanna kvar på den vetenskapligt utmärkta Z Bisexrich och den andra att återvända till Tyskland, ett land han älskade djupt. 1858 erbjöds han en tjänst vid Yrkeshögskolan i Karlsruhe men avslog den. Året därpå, den 19 November, gifte han sig med Adelheid Rimpam. Återigen 1862 erbjöds han en tjänst vid Polytechnic i Brunswick men tackade nej trots erbjudandet från hans frus hemstad, som han gjorde erbjudandet från Wien fyra år senare.

Sedan 1867 när erbjöds en professur vid Universitetet i Würzburg han accepterade, att uttrycka djupa beklagande över att lämna Zürich men till slut så hitta han inte längre kunde stå emot hans önskan att återvända till sitt hemland Tyskland. Han hade bara varit ett år i w Askorrzburg när han erbjöds en position i Munich. Han avslog detta erbjudande men året därpå, 1869, accepterade han ett erbjudande om en stol vid universitetet i Bonn. Strax efter detta skulle dock politiska händelser ha stor inverkan på Clausius liv.
Bismarck hade lyckats skapa ett nordtyskt förbund men letade efter ett sätt att uppmuntra de södra staterna att gå med. Frankrike trodde att de lätt kunde besegra de nya tyska staterna och Bismarck insåg att ett krig med Frankrike skulle vara den händelse han behövde för att samla alla tyska stater. Han konstruerade skickligt en situation där han provocerade fransmännen att inleda kriget som båda sidor hade velat. Clausius var en tysk patriot och även om han närmade sig 50 års ålder erbjöd han sina tjänster till sitt land i det fransk-preussiska kriget som hade brutit ut.
de tyska styrkorna var mycket starkare än fransmännen hade föreställt sig och snart var den franska hären i reträtt. Två avgörande strider vid Vionville och Gravelotte var verkligen inte avgörande för tyskarna som förlorade 20000 män vid Gravelotte jämfört med en förlust på 13000 av fransmännen. Men när den tyska armen förväntade sig att fransmännen skulle avancera och pressa hem sin lilla fördel, drog de sig istället tillbaka och det blev en taktisk seger för tyskarna. Clausius bror Robert skrev: –

hans brinnande patriotism tillät honom inte att stanna ledig hemma under kriget 1870-71. Han tog ledningen för en ambulanskorps, som han bildade av Bonn-studenter. Vid de stora striderna i Vionville och Gravelotte hjälpte han till att bära de sårade från striden och minska deras lidande.

Clausius mottog Järnkorset 1871 för sina tjänster till den tyska kampanjen. Han blev dock sårad i benet under striderna och led allvarlig smärta och funktionshinder under resten av sitt liv. En ytterligare tragedi inträffade 1875 när hans fru dog i födseln. Barnet, som överlevde, var deras sjätte men bara fyra, två pojkar och två flickor, överlevde Clausius. Men efter hans frus död hade Clausius ansvaret för att uppfostra sin familj och tillsammans med sitt krigsår innebar han att han hade liten chans för koncentrerat akademiskt arbete. Hans bror skrev:-

han var den bästa och mest kärleksfulla av fäder och gick helt in i sina barns glädje. Han övervakade själv sina barns skolarbete.

som ett sätt att övervinna problemen med hans skadade ben, och för att låta honom nå sina föreläsningar lättare, rådde hans läkare honom att ta ridning. Denna Clausius gjorde och 1878 började han rida och blev snart en expert ryttare. År 1884 blev han rektor vid universitetet i Bonn, fortsätter i denna roll under 1885. Sedan 1886 gifte han sig igen. Hans andra fru var Sophie Stack från Essen och Clausius hade ytterligare ett barn, en son, med sin andra fru. Han fortsatte att arbeta fram till sin slutliga sjukdom; i själva verket som hans bror berättade: –

även på sin sista sjuksäng höll han en undersökning.

Clausius var en teoretisk fysiker, i själva verket spelade han en viktig roll för att etablera teoretisk fysik som en disciplin. Som vi nämnde ovan var hans mest kända papper att läsa till Berlinakademin den 18 februari 1850 och publicerades i Annalen der Physik samma år. Detta dokument markerar grunden för den moderna termodynamiken. I detta dokument : –

… Clausius uttalade först grundtanken om termodynamikens andra lag. Han använde den för att visa att för en ‘Carnot-cykel’, som överför värme mellan två värmebehållare vid olika temperaturer och samtidigt omvandlar värme till arbete, beror det maximala arbete som erhålls från en given mängd värme enbart på värmebehållarnas temperaturer och inte på arbetsämnets natur.

för att förstå betydelsen av Clausius papper bör vi säga några ord om teorin om värme som fanns vid denna tidpunkt. Denna teori, kallad kaloriteorin, baserades på två Axiom, nämligen att värmen i universum bevaras och att värmen i ett ämne är en funktion av ämnets tillstånd. Laplace, Poisson, Sadi Carnot och Clapeyron hade alla utvecklat ämnet med hjälp av denna kaloriteori som grund. Men i sin 1850-uppsats säger Clausius tydligt att antagandena i kaloriteorin är falska och han ger två termodynamiklagar för att ersätta de felaktiga antagandena. Han gav förklaringar om naturen av fri värme och latent värme.
termodynamikens första lag anger ekvivalensen mellan värme och arbete: när arbete utförs med värme förbrukas en motsvarande mängd värme. Clausius hade experimentella bevis på denna lag, inte från sina egna experiment utan från Joule. Godkännandet av termodynamikens första lag visade omedelbart att båda axiomerna i kaloriteorin är falska. Clausius tolkade fri värme som den kinetiska energin hos kroppens partiklar. Arbetet med att öka denna kinetiska energi skulle resultera i en temperaturökning. Latent värme var värme som hade förstörts i arbete utfört mot krafter mellan molekyler.

den grundläggande ekvationen som Clausius upprättade var därför dQ = du + dW där dQ var ökningen i värmen, dU var förändringen i kroppens energi och dW var förändringen i externt arbete. Introduktionen av U, kroppens energi, var av stor betydelse även om Clausius inte gav det ett namn. Åren efter att hans papper dök upp kallade Thomson U den inneboende energin. Det är den totala mängden arbete som teoretiskt kan extraheras från ett ämne. Vi bör notera att Thomson i sin tidning från 1851 skriver (se till exempel ):-

… förtjänsten att först fastställa korrekta principer beror helt på Clausius.

Gibbs skrev (se till exempel): –

… i memoaren av Clausius … vetenskapen om termodynamik kom till. … Det kan sägas när som helst sedan publiceringen av memoaren att grunden för vetenskapen var säker, dess definitioner tydliga och dess gränser distinkta.

detta papper från 1850 innehöll en version av termodynamikens andra lagar, nämligen att värme tenderar att strömma från heta till kalla kroppar. Emellertid: –

… detta var bara början på Clausius långa engagemang i studien av den andra lagen. Under de följande femton åren skulle han publicera ytterligare åtta memoarer där han försökte sätta den andra lagen i en enklare, mer allmän och matematisk form.

Clausius upprepade Sadi Carnots princip om effektiviteten hos värmemotorer i sitt arbete. Clausius-Clapeyron ekvationen visas som uttrycker förhållandet mellan tryck och temperatur vid vilken två faser av ett ämne är i jämvikt. Han erkände entropi som den kvantitet som förblir oförändrad under förändringar av volym och temperatur i en Carnot-cykel redan i hans 1850-papper, men han nämnde inte detta viktiga koncept vid den tiden. Fortfarande utan att ge konceptet ett namn Clausius formulerade i en memoar från 1854 rudimenten av teorin om begreppet mått på transformationsekvivalens som han senare kallade entropi. I en uppsats som han publicerade 1865 heter konceptet klart definierat för första gången.
i sitt papper från 1865 uttalade Clausius termodynamikens första och andra lagar i följande form.

vi har nämnt ovan den stora patriotism som Clausius visat. Detta visade sig vara något av en nackdel för honom på vissa sätt i sina forskningsundersökningar. Han var inblandad i olika tvister. Den första tvisten var med Thomson om ett resultat av Joule som han hade citerat i en av sina papper. Clausius var mycket kritisk till att en tysk hade varit den första som fastställde resultatet, inte engelsmannen Joule.

den andra tvisten var med Tait om vem som var den första som föreslog likvärdighet mellan arbete och värme. Det var inte så att någon av dem hävdade detta för sig själva utan snarare tvisten var mellan Tait och Tyndall om Joule eller Julius von Mayer hade prioritet. Clausius snubblat in i kontroversen ganska av misstag när Tyndall hade bett honom att skicka honom alla von Mayers papper. Men Clausius publicerade sedan en artikel 1868 om att inte bara von Mayer hade prioritet utan också den tyska nationen.
en mer bitter tvist mellan Tait och Clausius började 1872 när Maxwell publicerade Theory of Heat. Clausius uppgav att britterna försökte hävda mer än de förtjänade för teorin om värme som Clausius sa, han ensam var upptäckaren. Man måste tillägga att Maxwell under ett antal år fullt ut hade erkänt Clausius bidrag, så han hade liten anledning till klagomålet. Situationens sorg var den effekt som Clausius attityd hade på sina egna prestationer. Daub skriver i :-

Clausius stora arv till fysik är utan tvekan hans uppfattning om den irreversibla ökningen av entropi, och ändå finner vi ingen indikation på intresse för Josiah Gibbs arbete med kemisk jämvikt eller Boltzmanns syn på termodynamik och sannolikhet, som båda var helt beroende av hans uppfattning. Det är underligt att han själv inte visade någon benägenhet att söka en molekylär förståelse för irreversibel entropi eller att hitta ytterligare tillämpningar av tanken; det är ännu konstigare, och till och med tragiskt, att han inte uttryckte någon oro för arbetet hos sina samtida som utförde just dessa uppgifter.

vissa historiker hävdar att Clausius använde sig mer av andras tankar än han var beredd att erkänna. Till exempel skriver Kim in:-

… vårt syfte är att förstå vad Clausius gjorde i denna långa strävan. Vi förklarar hur hans arbete följde den speciella kurs som det tog, vilket innebar avvikelser, kryphål och till och med vissa förvirringar, och som introducerade några mycket svåra nya begrepp som ‘okompenserad transformation’, ‘disgregation’ och ‘entropi’. Vi uppmärksammar särskilt William Thomsons uppfattning om’ den universella tendensen till spridning av energi ‘ som en möjlig källa till motivation som ligger till grund för hela strävan.

vi får inte ge intryck av att Clausius arbete inte var av enastående betydelse för det verkligen var. Vi får inte heller ge intrycket att han bara arbetade med termodynamik för att han efter 1875 koncentrerade sig på elektrodynamisk teori. Han gav en princip för bevarande av energi i elektrodynamik relaterad till en kraftlag för handling-på-avstånd som, till skillnad från det som Coulomb gav, berodde på hastigheter och accelerationer. Clausius gjorde medvetet val för att ställa in ekvationerna så att de var:-

… i den enklaste och därför mest sannolika formen.

hans teori var ganska bra överens med de flesta experimentella resultat men, baserat på absoluta hastigheter, resulterade i att en laddning i vila på jorden utsattes för en kraft på grund av jordens rörelse. Clausius svarade på kritiken men sa att hans absoluta hastighet var i förhållande till mediet kring laddningen. Trots svårigheterna i teorin spelade den en viktig roll i utvecklingen av elektrodynamisk teori.
Clausius fick många utmärkelser för sitt arbete. Listan är lång och vi kommer bara att nämna några få. Han valdes till ledamot av Royal Society of London 1868 och fick sin Copley-medalj 1879. Han fick också Huygens-medaljen 1870, Poncelet-priset 1883, och han fick en hedersdoktor vid universitetet i w Brasilirzburg 1882.
FitzGerald, i, Ge denna fina hyllning till Clausius: –

han var ett ädelt exempel på den anda som ägnar sig åt att direkt gynna mänskligheten, och som inte slösa tid på småaktiga elaborations av vackra problem. Han var i högsta mening praktisk, hans arbete är evigt, och hans minne kommer att leva så länge mänskligheten vördar sina välgörare.