Rudolf Clausius

Soubor: 88031 (Rudolf Clausius před rokem 1867) k.jpg
Rudolf Clausius jako profesor v Curychu (před 1867)

Rudolf Julius Emanuel Clausius (narozen 2. ledna 1822 v Köslin , † 24. srpna 1888 v Bonnu ) byl německý fyzik .

Clausius je považován za objevitele druhého zákona termodynamiky , tvůrce termínů entropie a virial a za jednoho z prvních teoretických fyziků v polovině 19. století. Byl mimo jiné současníkem. od Hermann von Helmholtz , James Prescott Joule , Gustav Robert Kirchhoff , John Tyndall , William Thomson, 1. baron Kelvin , Johann Josef Loschmidta , Ludwig Boltzmann a James Clerk Maxwell .

Život

Jako syn školního radního a pastora studoval Clausius od roku 1840 v Berlíně matematiku a fyziku po absolvování střední školy ve Štětíně , mimo jiné u Heinricha Gustava Magnuse , Petera Gustava Lejeunea Dirichleta , Jakoba Steinera a historie u Leopolda von Rankeho . V roce 1848 získal doktorát v Halle na rozptylu slunečního světla v zemské atmosféře, aby se stal doktorem filozofie. V letech 1844 až 1850 pracoval na Friedrichswerderově gymnáziu v Berlíně jako kandidát na výuku fyziky a matematiky. V roce 1850 se stal profesorem fyziky na Královské dělostřelecké a inženýrské škole v Berlíně a soukromým lektorem na berlínské univerzitě. V roce 1855 byl jmenován do nově založeného Eidgenössische Polytechnikum v Curychu , v roce 1867 se přestěhoval do Würzburgu , kde získal druhou katedru matematiky, kterou v roce 1869 obsadil Friedrich Prym , a poté v roce 1869 do Bonnu. zemřel . V letech 1884/85 byl rektorem univerzity.

Jako vůdce studentského lékařského sboru byl v roce 1870 zraněn ve francouzsko-pruské válce , která mu způsobovala trvalé bolesti v koleni.

V roce 1859 se oženil s Adelheid Rimpauovou (1833–1875) v Curychu, dcerou brunšvického obchodníka Justuse Rimpaua (1782–1840) a Mathilde Fritzeové a bratrance farmáře obilí Wilhelma Rimpaua (1814–1892). Jeho manželka zemřela na spálu v roce 1875. Nejstarší dcera Mathilde (1861–1907), která provozovala domácnost od roku 1875 a která se ujala výchovy mladších sourozenců, se v roce 1882 provdala za teologa Friedricha Zimmera . Dva roky před svou smrtí se Clausius znovu oženil: v roce 1886 se jeho manželkou stala Sophie Sack, dcera esenského soudního radního Otto Sacka a Johanne Budde.

Rudolf Clausius, kolem roku 1850

rostlina

Rudolf Clausius

Po objevu zákona zachování energie (1. zákon termodynamiky) Juliusem Robertem von Mayerem , Jamesem Prescottem Joulem a Hermannem von Helmholtzem bylo nutné najít novou teorii tepla , zejména proto, že William Thomson (později lord Kelvin) jasně ukázal, že mezi Carnotovým procesem a úsporou energie byl rozpor v pojmech. Clausius se tomuto úkolu věnoval podrobným studiem schopnosti tepla přeměnit se v práci (1850). Poprvé zaznamenal druhý zákon termodynamiky , který uvádí, že teplo neprochází z chladu do teplejšího tělesa bez dalších změn, a postuluje tak nemožnost věčně se pohybujícího stroje druhého druhu. V roce 1865 představil Clausius termín entropie . K tomuto účelu byla také použita dnes již zastaralá jednotka Clausius .

Clausiusova první vědecká práce se zabývá tématy meteorologické optiky, např. B. rozptyl světla v atmosféře a fenomén modré oblohy, stejně jako úsvit a západ slunce. Jeho slavné pojednání „O pohyblivé síle tepla“ z roku 1850 mu nakonec umožnilo habilitovat se a učit na Královské dělostřelecké a inženýrské škole a zároveň jako soukromý lektor na berlínské univerzitě - začala jeho vědecká kariéra.

Clausiusovo jméno je přímo spojeno s Clausius-Clapeyronovou rovnicí , pomocí níž lze křivku tlaku par ve dvoufázovém diagramu látky určit z entalpie odpařování , teploty a zvětšení objemu. Díky procesu Clausius-Rankine , klasickému procesu vodní páry, který vyrábí mechanickou energii nebo elektřinu z chemicky vázaného tepla, je také známý v energetické technologii. Dnes je mnohem méně běžné, že poskytl základní práci na kinetické teorii plynů a elektrolytické disociaci . V roce 1857 zdokonalil velmi jednoduchý model kinetiky plynu Augusta Kröniga , který vytvořil před rokem, a představil koncept „střední volné dráhy“ molekuly plynu. Jeho práce, která byla rovněž přeložena do angličtiny, přiměly Jamese Clerka Maxwella a později Ludwiga Boltzmanna k rozhodujícím objevům, které byly rozhodující při stanovení kinetické teorie plynů. Clausius navíc pracoval také na elektrodynamice pohybujících se těles, která našla své řešení až prostřednictvím Einsteinovy práce v roce 1905. Clausius použil Maxwellovy deriváty k určení molárního lomu látky ( Clausius-Mossottiho rovnice ). Tento postup byl použit ke kontrole struktury organické látky. Struktury (funkční skupiny, vazby) organických molekul lze porovnat z indexu lomu a molární hmotnosti .

V roce 1850 se Clausius začal zabývat tématem, kterému vděčí za svou největší slávu: mechanickou teorií tepla (termodynamika). Clausius převzal princip úspory energie jako první zákon termodynamiky, který již navrhl Sadi Carnot v roce 1824 a nakonec jej postuloval Julius Robert Mayer v roce 1842, ve své teorii a dal mu první kvantitativní formulaci vytvořením vztahu mezi množstvím teplo Q , práce W a vnitřní energie U (d U = d Q + d W ). Na rozdíl od do té doby převládajícího názoru si uvědomil, že teplo není neměnná látka, ale představuje pouze formu energie, kterou lze převést na známé jiné formy (kinetická energie atd.).

Princip zachování energie však dosud nevysvětluje společný fakt, že přeměna energie neprobíhá v žádném směru: proč například dvě různě teplá tělesa upravují své teploty při kontaktu, ale teplo se nikdy nepřenáší z chladnějšího do teplejší tělo samo o sobě. Carnot již tuto skutečnost jasně uvedl, ale pouze Clausius rozpoznává energetický tok za ním a ne jev spojený s tepelnou látkou. V roce 1850 označil tuto zkušenost jako druhý zákon termodynamiky. Tvrzení, že energetické převody probíhají nevratně jedním směrem, již není kompatibilní s klasickou mechanickou fyzikou, jejíž lineární zákony jsou sledovatelné a reverzibilní podle jakéhokoli procesu ( Poincarého zákon opakování ).

Tání ledu v teplé místnosti je jednoduchým příkladem zvyšování entropie (poprvé popsal Rudolf Clausius v roce 1862).

Výchozím bodem pro úvahy Carnota i Clausia byl způsob provozu parních strojů. Již v roce 1824 Carnot zjistil, že teplo nelze úplně přeměnit na mechanickou práci, protože to vyžaduje nejen zdroj tepla (pec s parním generátorem), ale také chladič (chladič pro kondenzaci páry), ve kterém je část tepla dojde ke ztrátě požadovaného převodu na dílo. Každý proces tepelné energie vyžaduje dva zásobníky tepla různých teplot, ze kterých se dodává a odvádí teplo. Za idealizované, tj. H. reverzibilní podmínky jsou stejné poměry množství dodaného nebo odebraného tepla k příslušným teplotám, při nichž dochází k přenosu tepla. V tomto případě největší možné množství mechanické energie, např. B. vyrábět elektřinu. To však není případ skutečných tepelných energetických procesů. Čím větší je rozdíl mezi těmito poměry, tím méně užitečné práce (exergie) lze získat z tepelné energie.

Změna množství tepla související s teplotou přenosu tepla v termodynamickém procesu je proto měřítkem směnitelnosti tepelně technické práce a tím i kvality procesu (d S = d Q / T ). Clausius později nazývá tuto „ekvivalentní hodnotu transformace“ „entropií“ (ze starořečtiny: entrepein = transformovat a tropé = potenciál pro změnu). V roce 1882 Helmholtz jasněji definoval Clausiusův zákon entropie, pokud jde o vnitřní energii systému: Maximální využitelná volná energie v izolovaném systému je vždy menší než skutečně dostupná vnitřní energie. I když je vnitřní energie systému zachována, když je přeměněna na užitečnou práci (1. hlavní zákon), je znehodnocena (degradace), protože část je vždy rozptýlena (rozptýlena) v prostředí systému. Druhý zákon termodynamiky tedy lze formulovat také následovně: Konverze energie nikdy neprobíhá sama ze stavu nízké kvality do stavu vysoké kvality; entropie se vždy zvyšuje. V procesu výroby tepla a energie musí být voda procesního média energeticky „rafinována“ dodáváním tepla zvenčí (pece) vytvářením vodní páry pod vysokým tlakem a teplotou, než bude moci pracovat ve válci parního stroje nebo v turbína na výrobu elektřiny. Energie zpracované páry je bezcenná a musí se uvolňovat do okolí pomocí chladiče. I za ideálních podmínek by byla výroba rozptýlené energie, například odpadního tepla, nevyhnutelná.

Vzhledem k ústřednímu významu Clausiusových znalostí pro klasický proces tepelné elektrárny (Rankinův proces) se tomu říká také Clausius-Rankinův proces.

V roce 1870 dal Clausius viriální teorém , což je vztah mezi časovým průměrem kinetické energie a časovým průměrem potenciální energie uzavřeného stacionárního fyzického systému. Vztahuje se to k mechanice a k uzavřenému termodynamickému systému.

Clausius představil střední volnou cestu k fyzice v roce 1857 , základní koncept statistické mechaniky.

V roce 1875 Clausius také publikoval obecný zákon elektrodynamiky založený na teorii etheru.

„Helmholtz příležitostně charakterizoval důležitost termodynamických vět pro naše poznání přírody tím, že jim říkal„ zákony světa “, což zjevně vyjadřuje [...], že mohou být bezpečně aplikovány na celý vesmír“, tak Walther Nernst 1922 narozeniny Clausia na univerzitě v Bonnu.

Pamětní kámen na Technické univerzitě v Koszalinu

Vyznamenání a členství (výběr)

V Curychu v roce 1895 byla po něm pojmenována Clausiusstrasse a Clausiussteig nedaleko ETH Curych . V roce 1935 byl po něm pojmenován měsíční kráter Clausius a v roce 2002 asteroid (29246) Clausius . Od roku 2009 si jej v jeho rodném městě Köslin připomíná pamětní kámen.

Viz také

Písma

  • O pohyblivé síle tepla a zákonech, které z ní lze odvodit pro samotnou teorii tepla , Poggendorffs Annalen , svazek 79, 1850, str. 368-397, 500-524
    • Upraveno komentářem Maxe Plancka 1898, 1921, Lipsko (Ostwaldova klasika exaktních věd 99), dotisk, 1982, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, archiv
  • O aplikaci teorie mechanického tepla na parní stroj. In: Annals of Physics and Chemistry , Series 4, 97 (1856), str. 441-476, 513-558. ( Digitalizovaný a plný text v německém textovém archivu )
  • O různých formách hlavních rovnic teorie mechanického tepla, které jsou vhodné pro použití , Annalen der Physik und Chemie, svazek 125, 1865, s. 353-400 (zavedení entropie)
    • také přednáška pro Zürcher Naturforschenden Gesellschaft, čtvrtletník Naturf. Ges. Zurich, 10. ročník 1865, číslo 1, 1–59, pdf
  • O druhém zákonu teorie mechanického tepla: přednáška na valné hromadě 41. zasedání německých přírodovědců a lékařů ve Frankfurtu nad Mohanem. M. 23. září 1867 , Vieweg 1867
  • O typu pohybu, který vyžaduje teplo , Annalen der Physik und Chemie, svazek 100, 1857, s. 353 (přetištěno v Stephen Brush , Kinetic Theory, svazek 1, WTB 1970)
  • O střední vzdálenosti pokryté jednotlivými molekulami během molekulárního pohybu plynných těles, spolu s některými dalšími poznámkami o teorii mechanického tepla , Annalen der Physik und Chemie, svazek 105, 1858, s. 239 (přetištěno v Stephen Brush, Kinetic Theory, Svazek 1, WTB, 1970, zavedení střední volné cesty)
  • Potenciální funkce a potenciál: příspěvek k matematické fyzice , publikoval Johann Ambrosius Barth, Lipsko 1859, archiv
  • Pojednání o teorii mechanického tepla , 2 svazky, Vieweg 1864, 1867 (jako pojednání o teorii mechanického tepla ), 2. vydání 1876, 1879, Archivy, svazek 1, 3. vydání
  • Kinetická teorie plynů , Mechanická teorie tepla , Svazek 3, 2. vydání, Vieweg 1889-1891, Ed. Max Planck, Carl Pulfrich
  • O mechanické větě použitelné na teplo , Annalen der Physik, svazek 217, 1870, str. 124–130 (viriální věta )

literatura

  • Edward E. Daub: Clausius, Rudolf . In: Charles Coulston Gillispie (Ed.): Slovník vědecké biografie . páska 3 : Pierre Cabanis - Heinrich von Dechen . Charles Scribner's Sons, New York 1971, str. 303-311 .
  • Max von Laue:  Clausius, Rudolf Julius Emanuel. In: New German Biography (NDB). Svazek 3, Duncker & Humblot, Berlin 1957, ISBN 3-428-00184-2 , str. 276-278 ( digitalizovaná verze ).
  • Walther Nernst : Rudolf Clausius, narozen 2. ledna 1822, zemřel 24. srpna 1888, 1869–1888 profesor fyziky na univerzitě v Bonnu: Projev přednesený 24. června 1922. Röhrscheid, Bonn 1922.
  • Günter Bierhalter: Clausiusův mechanický základ druhého zákona teorie tepla z roku 1871, Archiv pro dějiny exaktních věd, svazek 24, 1981, s. 207-219
  • Grete Ronge: Rudolf Clausius, fyzik 19. století, Urania, svazek 19, 1956, 231-238
  • Grete Ronge: Curyšská léta fyzika Rudolfa Clausia, Gesnerus, svazek 12, 1955, 73-108
  • Eduard Riecke : Rudolf Clausius, pojednání d. Ges. Wiss. Göttingen, Math-fyz. Třída 35, 1888 (s katalogovým raisonné)
  • Friedrich Krüger: Rudolf Clausius, Pommersche Lebensbilder, svazek 1, 1934, 208-211
  • Ivo Schneider : Clausiusova první aplikace výpočtu pravděpodobnosti v kontextu rozptylu atmosférického světla, Archiv pro historii exaktních věd, Svazek 14, 1974, s. 143–158
  • Ivo Schneider: Příspěvek Rudolfa Clausia k zavedení pravděpodobnostních metod ve fyzice plynů po roce 1856, Archiv pro dějiny exaktních věd, Svazek 14, 1974, s. 237-261
  • Werner Ebeling a Johannes Orphal : Berlínská léta fyzika Rudolfa Clausia (1840–1855). Vědecký časopis Humboldtovy univerzity, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe 39, 1990, s. 210–222
  • Stefan L. Wolff: Clausiova cesta k teorii kinetických plynů , Sudhoffs Archiv, svazek 79, číslo 1, 1995, str. 54–72.
  • Stefan L. Wolff: Rudolph Clausius - průkopník moderní teorie tepla , Vacuum, svazek 90, 2013, s. 102-108
  • Johannes Orphal a Dieter Hoffmann, Rudolph Clausius, Gustav Magnus a původ druhého termodynamického zákona, str. 85–130, in: „Gustav Magnus a jeho dům“, Ed. D. Hoffmann, ISBN 978-3-86225- 119 -3 , GNT Verlag, Berlin and Diepholz, 2020.

Individuální důkazy

  1. ^ Hans-Joachim Vollrath : O jmenování Aurela Vosse do židle pro matematiku ve Würzburgu. In: Würzburger medical history messages, svazek 11, 1993, s. 133–151, zde: s. 133.
  2. ^ Manfred Berger:  ZIMMER, Karl Friedrich. In: Biographisch-Bibliographisches Kirchenlexikon (BBKL). Svazek 25, Bautz, Nordhausen 2005, ISBN 3-88309-332-7 , Sp. 1583-1600.  ( Článek / začátek článku v internetovém archivu ) (zpřístupněno 17. května 2010).
  3. ^ Seznam členů od roku 1666: Dopis C. Académie des sciences, přístupný 30. října 2019 (francouzsky).
  4. ↑ Holger Krahnke: Členové Akademie věd v Göttingenu 1751-2001 (= Pojednání Akademie věd v Göttingenu, Filologicko-historická třída. Svazek 3, sv. 246 = Pojednání Akademie věd v Göttingenu, Matematická- Fyzická třída. Epizoda 3, svazek 50). Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 2001, ISBN 3-525-82516-1 , s. 60.
  5. ↑ Vstup člena Rudolfa Clausia (s odkazem na nekrolog) v Bavorské akademii věd , přístup k 16. lednu 2017.
  6. ↑ Literární centrální věstník pro Německo . 1882, č. 35 (26. srpna), sl. 1216.
  7. ^ Adresář Fellows. Biografický rejstřík: Bývalí spolupracovníci RSE 1783–2002. Royal Society of Edinburgh, přístup 17. října 2019 .
  8. ↑ Clausiusstrasse , alt-zueri.ch, zpřístupněno 23. dubna 2014.
  9. ^ Pomeranian noviny . Č. 33/2013, s. 3.

webové odkazy

Commons : Rudolf Clausius  - Sbírka obrázků, videí a zvukových souborů
Wikisource: Rudolf Clausius  - Zdroje a plné texty
osobní data
PŘÍJMENÍ Clausius, Rudolf
ALTERNATIVNÍ NÁZVY Clausius, Rudolf Julius Emanuel
STRUČNÝ POPIS Německý fyzik
DATUM NAROZENÍ 2. ledna 1822
MÍSTO NAROZENÍ Koslin
DATUM ÚMRTÍ 24. srpna 1888
MÍSTO SMRTI Bonn