Rudolf Clausius

Fil: 88031 (Rudolf Clausius før 1867) k.jpg
Rudolf Clausius som professor i Zürich (før 1867)

Rudolf Julius Emanuel Clausius (født 2. januar 1822 i Köslin , † 24. august 1888 i Bonn ) var en tysk fysiker .

Clausius regnes for å være oppdageren av termodynamikkens andre lov , skaper av begrepene entropi og virial , og en av de første teoretiske fysikerne i midten av 1800-tallet. Han var en samtid blant andre. av Hermann von Helmholtz , James Prescott Joule , Gustav Robert Kirchhoff , John Tyndall , William Thomson, 1. baron Kelvin , Johann Josef Loschmidt , Ludwig Boltzmann og James Clerk Maxwell .

Liv

Som sønn av skolebyråd og pastor studerte Clausius matematikk og fysikk i Berlin fra 1840 etter endt videregående skole i Stettin , blant andre med Heinrich Gustav Magnus , Peter Gustav Lejeune Dirichlet , Jakob Steiner og historie med Leopold von Ranke . I 1848 fikk han doktorgrad i Halle om spredning av sollys i jordens atmosfære for å bli doktor i filosofi. Fra 1844 til 1850 jobbet han ved Friedrichswerder Gymnasium i Berlin som kandidat for å undervise i fysikk og matematikk. I 1850 ble han professor i fysikk ved Royal Artillery and Engineering School i Berlin og privatlektor ved Berlin universitet. I 1855 ble han utnevnt til det nystiftede Eidgenössische Polytechnikum i Zürich , i 1867 flyttet han til Würzburg , hvor han var i stand til å få en annen stol i matematikk, okkupert av Friedrich Prym i 1869, og deretter til Bonn i 1869 til slutten av livet hans . I 1884/85 var han rektor ved universitetet.

Som leder for et medisinsk korps ble han såret i den fransk-preussiske krigen i 1870 , noe som forårsaket varige smerter i kneet.

Han giftet seg med Adelheid Rimpau (1833–1875) i Zürich i 1859, datteren til Brunswick-kjøpmann Justus Rimpau (1782–1840) og Mathilde Fritze, og fetter til kornbonden Wilhelm Rimpau (1814–1892). Kona hans døde av skarlagensfeber i 1875. Den eldste datteren Mathilde (1861–1907), som hadde drevet husstanden siden 1875 og som hadde tatt opp oppveksten til de yngre søsknene, giftet seg med teologen Friedrich Zimmer i 1882 . To år før han døde giftet Clausius seg igjen: i 1886 ble Sophie Sack, en datter av Essens dommerråd Otto Sack og Johanne Budde, hans kone.

Rudolf Clausius, rundt 1850

anlegg

Rudolf Clausius

Etter oppdagelsen av loven om bevaring av energi (1. lov om termodynamikk) av Julius Robert von Mayer , James Prescott Joule og Hermann von Helmholtz , måtte man finne en ny teori om varme , spesielt siden William Thomson (senere Lord Kelvin) hadde tydelig vist at mellom Carnots prosess og bevaring av energi var en motsetning i forhold. Clausius viet seg til denne oppgaven ved å utsette seg selv til en grundig studie av evnen til varme til å transformere seg til arbeid (1850). For første gang registrerte han den andre loven om termodynamikk , som sier at varme ikke passerer fra en forkjølelse til en varmere kropp uten andre endringer, og postulerer dermed umuligheten av en maskin for evig bevegelse av den andre typen. I 1865 introduserte Clausius begrepet entropi . Den nå utdaterte Clausius- enheten ble også brukt til dette formålet.

Clausius første vitenskapelige arbeid tar for seg emner innen meteorologisk optikk, f.eks. B. lysspredningen i atmosfæren og fenomenet den blå himmelen samt soloppgang og solnedgang. Hans berømte avhandling "On the Moving Power of Heat" i 1850 gjorde ham endelig i stand til å utføre habilitering og undervise ved Royal Artillery and Engineering School og samtidig som privatlektor ved Berlin universitet - hans vitenskapelige karriere begynte.

Clausius 'navn er direkte knyttet til Clausius-Clapeyron-ligningen , ved hjelp av hvilken damptrykkkurven i tofasediagrammet til et stoff kan bestemmes ut fra entalpi av fordampning , temperatur og volumøkning. Takket være Clausius-Rankine-prosessen , den klassiske vanndamp-prosessen for å generere mekanisk energi eller elektrisitet fra kjemisk bundet varme, er den også kjent innen energiteknologi. Det som er langt mindre vanlig i dag er at han ga grunnleggende arbeid om den kinetiske teorien om gasser og elektrolytisk dissosiasjon . I 1857 finpusset han August Krönigs meget enkle gasskinetiske modell, som han hadde satt opp et år tidligere, og introduserte konseptet om den "middel frie banen" til et gassmolekyl. Hans arbeid, som også er oversatt til engelsk, fikk James Clerk Maxwell og senere Ludwig Boltzmann til å gjøre avgjørende funn som var avgjørende for å etablere den kinetiske gassen. I tillegg jobbet Clausius også med en elektrodynamikk av bevegelige kropper, som først fant løsningen gjennom Einsteins arbeid i 1905. Clausius brukte Maxwells derivater for å bestemme molær bryting av et stoff ( Clausius-Mossotti-ligning ). Denne prosedyren ble brukt til å kontrollere strukturen til et organisk stoff. Strukturene (funksjonelle grupper, bindinger) av organiske molekyler kan sammenlignes fra brytningsindeksen og molmassen .

I 1850 begynte Clausius å beskjeftige seg med det emnet han skylder sin største berømmelse for: mekanisk varmeteori (termodynamikk). Clausius tok opp prinsippet om energibesparelse som den første loven om termodynamikk, allerede foreslått av Sadi Carnot i 1824 og til slutt postulert av Julius Robert Mayer i 1842, i sin teori og ga ham den første kvantitative formuleringen ved å etablere et forhold mellom mengden varme Q , arbeid W og intern energi U (d U = d Q + d W ). I motsetning til den rådende oppfatningen inntil da, innså han at varme ikke er en uforanderlig substans, men bare representerer en form for energi som kan omdannes til de kjente andre former (kinetisk energi, etc.).

Prinsippet om energibesparelse forklarer imidlertid ikke det vanlige faktum at energiomdannelse ikke foregår i noen retning: hvorfor for eksempel to forskjellige varme kropper justerer temperaturene ved kontakt, men varme overføres aldri fra kaldere til varmere kropp av seg selv. Carnot hadde allerede klart uttalt dette faktum, men bare Clausius kjenner igjen en energistrøm bak seg og ikke et fenomen knyttet til en varmesubstans. I 1850 omtalte han denne erfaringen som den andre loven om termodynamikk. Påstanden om at energiomdannelser går irreversibelt i en retning, er ikke lenger kompatibel med klassisk mekanisk fysikk, hvis lineære lover er sporbare og reversible i henhold til hvilken som helst prosess ( Poincarés lov om gjentakelse ).

Smelting av is i et varmt rom er et enkelt eksempel på økende entropi (først beskrevet av Rudolf Clausius i 1862).

Utgangspunktet for både Carnot og Clausius 'betraktning var driften av dampmaskiner. Så tidlig som i 1824 hadde Carnot funnet at varmen ikke kan omdannes til mekanisk arbeid, siden dette ikke bare krever en varmekilde (ovn med dampgenerator), men også en varmeavleder (kjøler for dampkondensering) der en del av varmen er kreves for konvertering til arbeid er tapt. Hver termisk kraftprosess krever to varmebeholdere med forskjellige temperaturer, hvorfra varmen tilføres og fjernes. Under idealisert, dvs. H. reversible forhold er forholdene mellom mengden varme som tilføres eller fjernes til de respektive temperaturene hvor varmeoverføringen skjer, den samme. I dette tilfellet vil størst mulig mengde mekanisk energi, f.eks. B. å generere elektrisitet. Dette er imidlertid ikke tilfelle i ekte termiske kraftprosesser. Jo større forskjell mellom disse forholdene, desto mindre nyttig arbeid (eksergi) som kan oppnås ved termisk energi.

Endringen i mengden varme relatert til varmeoverføringstemperaturen i en termodynamisk prosess er derfor et mål på konvertibiliteten til varme og teknisk arbeid og dermed på kvaliteten på prosessen (d S = d Q / T ). Clausius kaller senere denne "ekvivalente verdien av transformasjon" "entropi" (fra eldgresk: entrepein = å transformere og tropé = potensial for endring). I 1882 definerte Helmholtz Clausius 'lov om entropi tydeligere når det gjelder den indre energien til et system: Den maksimale brukbare frie energien i et isolert system er alltid mindre enn den faktisk tilgjengelige interne energien. Selv om systemets indre energi beholdes når det konverteres til nyttig arbeid (1. hovedlov), blir det devaluert (degradering), siden en del av det alltid er spredt (spredt) i systemmiljøet. Dermed kan termodynamikkens andre lov også formuleres som følger: En energiomdannelse løper aldri av seg selv fra en tilstand av lav kvalitet til en tilstand av høy kvalitet; entropien øker alltid. I varme- og kraftprosessen må prosessmediet vann "raffineres" energisk ved å tilføre varme fra utsiden (ovnen) ved å skape vanndamp under høyt trykk og temperatur før det kan fungere i sylinderen til dampmotoren eller i turbin for å generere strøm. Energien fra den bearbeidede dampen er verdiløs og må slippes ut i miljøet via kjøleren. Selv under ideelle forhold ville produksjon av avledet energi, som spillvarme, være uunngåelig.

På grunn av den sentrale betydningen av Clausius kunnskap for den klassiske prosessen med termisk kraftverk (Rankine-prosessen), kalles dette også Clausius-Rankine-prosessen.

I 1870 ga Clausius virussetningen , som er et forhold mellom tidsgjennomsnittet for den kinetiske energien og tidsgjennomsnittet for den potensielle energien til et lukket stasjonært fysisk system. Det er relatert til mekanikk og til et lukket termodynamisk system.

Clausius introduserte den gjennomsnittlige frie veien til fysikk i 1857 , et grunnleggende begrep for statistisk mekanikk.

I 1875 publiserte Clausius også en generell lov om elektrodynamikk basert på eterteorien.

"Helmholtz karakteriserte tidvis betydningen av termodynamiske teoremer for vår kunnskap om naturen ved å kalle dem 'verdenslover', tilsynelatende for å uttrykke [...] at de trygt kan brukes på hele universet", slik Walther Nernst 1922 på 100 bursdag til Clausius ved Universitetet i Bonn.

Heder og medlemskap (utvalg)

I Zürich i 1895 ble Clausiusstrasse og Clausiussteig, ikke langt fra ETH Zürich , oppkalt etter ham. I 1935 ble månekrateret Clausius og i 2002 asteroiden (29246) Clausius oppkalt etter ham. Siden 2009 har en minnestein minnet ham i hjembyen Köslin .

Se også

Skrifttyper

  • Om varmenes bevegelige kraft og lovene som kan utledes av den for selve varmeteknologien , Poggendorffs Annalen , bind 79, 1850, s. 368-397, 500-524
    • Redigert med kommentarer av Max Planck 1898, 1921, Leipzig, (Ostwald's Classics of Exact Sciences 99), Opptrykk, 1982, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Arkiv
  • Om anvendelse av mekanisk varmeteori på dampmotoren. I: Annals of Physics and Chemistry , serie 4, 97 (1856), s. 441-476, 513-558. ( Digitalisert og fulltekst i det tyske tekstarkivet )
  • Om forskjellige former for hovedligningene i mekanisk varmeteori som er praktiske å bruke , Annalen der Physik und Chemie, bind 125, 1865, s. 353-400 (innføring av entropi)
    • også forelesning for Zürcher Naturforschenden Gesellschaft, tidsskrift for Naturf. Ges. Zürich, 10. år 1865, utgave 1, 1–59, pdf
  • Om den andre loven om mekanisk varmeteori: et foredrag holdt på en generalforsamling på det 41. møtet for tyske naturforskere og leger i Frankfurt a. M. 23. september 1867 , Vieweg 1867
  • Om den typen bevegelse som krever varme , Annalen der Physik und Chemie, bind 100, 1857, s. 353 (gjengitt i Stephen Brush , Kinetic Theory, Volume 1, WTB 1970)
  • Om den gjennomsnittlige avstanden dekket av de enkelte molekylene under den molekylære bevegelsen av gassformede legemer, sammen med noen andre bemerkninger om mekanisk varmeteori , Annalen der Physik und Chemie, bind 105, 1858, s. 239 (gjengitt i Stephen Brush, Kinetic Theory, Volum 1, WTB, 1970, introduksjon av den gjennomsnittlige frie stien)
  • Den potensielle funksjonen og potensialet: et bidrag til matematisk fysikk , utgitt av Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1859, arkiv
  • Avhandlinger om mekanisk varmeteori , 2 bind, Vieweg 1864, 1867 (som avhandlinger om mekanisk varmeteori ), 2. utgave 1876, 1879, Arkiv, bind 1, 3. utgave
  • Den kinetiske teorien om gasser , Den mekaniske varmeteorien, Volum 3, 2. utgave, Vieweg 1889-1891, Ed. Max Planck, Carl Pulfrich
  • Om en mekanisk setning som gjelder varme , Annalen der Physik, bind 217, 1870, s. 124-130 (viral setning )

litteratur

  • Edward E. Daub: Clausius, Rudolf . I: Charles Coulston Gillispie (red.): Dictionary of Scientific Biography . teip 3 : Pierre Cabanis - Heinrich von Dechen . Charles Scribner's Sons, New York 1971, s. 303-311 .
  • Max von Laue:  Clausius, Rudolf Julius Emanuel. I: Ny tysk biografi (NDB). Volum 3, Duncker & Humblot, Berlin 1957, ISBN 3-428-00184-2 , s. 276-278 ( digitalisert versjon ).
  • Walther Nernst : Rudolf Clausius, født 2. januar 1822, død 24. august 1888, 1869–1888 professor i fysikk ved Universitetet i Bonn: Tale holdt 24. juni 1922. Röhrscheid, Bonn 1922.
  • Günter Bierhalter: Clausius mekaniske fundament for den andre loven om varmeteori fra 1871, Archive for history of exact sciences, Volum 24, 1981, s. 207-219
  • Grete Ronge: Rudolf Clausius, en fysiker fra det 19. århundre, Urania, bind 19, 1956, 231-238
  • Grete Ronge: Zürich-årene til fysikeren Rudolf Clausius, Gesnerus, bind 12, 1955, 73-108
  • Eduard Riecke : Rudolf Clausius, avhandlinger d. Ges. Wiss. Göttingen, Math-phys. Klasse 35, 1888 (med katalog raisonné)
  • Friedrich Krüger: Rudolf Clausius, i Pommersche Lebensbilder, bind 1, 1934, 208-211
  • Ivo Schneider : Clausius første anvendelse av sannsynlighetsberegning i sammenheng med atmosfærisk lysspredning, Arkiv for historien om eksakte vitenskaper, Volum 14, 1974, s. 143–158
  • Ivo Schneider: Rudolph Clausius ’bidrag til innføringen av sannsynlige metoder i gassens fysikk etter 1856, Arkiv for historien om eksakte vitenskaper, bind 14, 1974, s. 237-261
  • Werner Ebeling og Johannes Orphal : Berlinårene til fysikeren Rudolph Clausius (1840–1855). Vitenskapelig tidsskrift for Humboldt University, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe 39, 1990, s. 210-222
  • Stefan L. Wolff: Clausius 'vei til kinetisk gassteori , Sudhoffs Archiv, bind 79, utgave 1, 1995, s. 54–72.
  • Stefan L. Wolff: Rudolph Clausius - en pioner innen moderne teori om varme , Vacuum, Volum 90, 2013, s. 102-108
  • Johannes Orphal og Dieter Hoffmann, Rudolph Clausius, Gustav Magnus og opprinnelsen til termodynamikkens andre lov, s. 85–130, i: “Gustav Magnus and his house”, Ed. D. Hoffmann, ISBN 978-3-86225- 119 -3 , GNT Verlag, Berlin og Diepholz, 2020.

Individuelle bevis

  1. ^ Hans-Joachim Vollrath : Om utnevnelsen av Aurel Voss til stolen for matematikk i Würzburg. I: Würzburger medisinske historierapporter , bind 11, 1993, s. 133–151, her: s. 133.
  2. Manfred Berger:  ZIMMER, Karl Friedrich. I: Biographisch-Bibliographisches Kirchenlexikon (BBKL). Volum 25, Bautz, Nordhausen 2005, ISBN 3-88309-332-7 , Sp. 1583-1600. (åpnet 17. mai 2010).
  3. ^ Liste over medlemmer siden 1666: Brev C. Académie des sciences, åpnet 30. oktober 2019 (fransk).
  4. Holger Krahnke: Medlemmene av vitenskapsakademiet i Göttingen 1751-2001 (= avhandlinger fra vitenskapsakademiet i Göttingen, filologisk-historisk klasse. Bind 3, bind 246 = avhandlinger fra vitenskapsakademiet i Göttingen, matematisk- Physical Class. Episode 3, vol. 50). Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 2001, ISBN 3-525-82516-1 , s. 60.
  5. Medlemspost av Rudolf Clausius (med lenke til en nekrolog) ved Bavarian Academy of Sciences , åpnet 16. januar 2017.
  6. Literary Central Gazette for Germany . 1882, nr. 35 (26. august), kol. 1216.
  7. ^ Fellows Directory. Biografisk indeks: Tidligere RSE-stipendiater 1783–2002. Royal Society of Edinburgh, åpnet 17. oktober 2019 .
  8. Clausiusstrasse , alt-zueri.ch, åpnet 23. april 2014.
  9. ^ The Pomeranian Newspaper . Nr. 33/2013, s. 3.

weblenker

Commons : Rudolf Clausius  - Samling av bilder, videoer og lydfiler
Wikikilde: Rudolf Clausius  - Kilder og fulltekster