1簡介

魯道夫·克勞修斯
魯道夫·朱利葉斯·埃曼努埃爾·克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius,
主要經歷
1822年1月2日生於普魯士的克斯林(今波蘭科沙林)的一個知識分子家庭。曾就學於柏林大學。1847年在哈雷大學主修數學和物理學的哲學博士學位。從1850年起,曾先後任柏林炮兵工程學院、蘇黎世工業大學、維爾茨堡大學、波恩大學物理學教授。他曾被法國科學院、英國皇家學會和彼得堡科學院選為院士或會員。)因發表論文《論熱的動力以及由此導出的關於熱本身的諸定律》而聞名。1855年任蘇黎世工業大學教授,1867年任德意志帝國維爾茨堡大學教授,1869年起任波恩大學教授。
研究
克勞修斯在他關於光折射的博士論文中提出,我們白天看見藍天空,日出及日落時看見各種紅天空(以及其他一些現象),都是由光的折射和反射導致的。以後,瑞利勛爵提出這其實是由光的散射所導致的,但無論如何,克勞修斯所採取的研究方法比之前的相關研究要數學化得多。
他最有名的論文《論熱的移動力及可能由此得出的熱定律》(Über die bewegende Kraft der Wärme)於1850年發表,其中涉及到熱的力學理論。在這篇論文中,他提出了卡諾的定律與能量守恆的概念不一致,克勞修斯重新陳述了兩條熱力學定律以克服這個矛盾(第三定律由瓦爾特·能斯特於1906年至1912年間發表)。這篇論文使得他的科學事業開始起飛。
克勞修斯在1857年改進了奧古斯特·克羅尼格(August Krönig)非常簡單的氣體運動模型,引進了分子的平移、旋轉及振動運動,對分子運動論領域作出了貢獻。在同一份研究中他還引進了一粒子的平均自由徑概念。
克勞修斯從熱力學中推論出克勞修斯-克拉佩龍方程,這個關係是一種描述兩態之間相變的方式,例如固態及液態,最初由埃米勒·克拉伯隆於1834年發表。

2研究成果

氣體動理論研究
在氣體動理論方面克勞修斯作出了突出的貢獻。克勞修斯、麥克斯韋、玻耳茲曼被稱為氣體動理論的三個主要奠基人。由於他們的一系列工作使氣體動理論最終成為定量的系統理論。1857年克勞修斯發表《論熱運動形式》的論文,以十分明晰的方式發展了氣體動理論的基本思想。他假定氣體中分子以同樣大小的速度向各個方向隨機地運動,氣體分子同器壁的碰撞產生了氣體的壓強,第一次推導出著名的理想氣體壓強公式,並由此推證了玻意耳-馬略特定律和蓋·呂薩克定律,初步顯示了氣體動理論的成就。而且第一次明確提出了物理學中的統計概念,這個新概念對統計力學的發展起了開拓性的作用。
1858年發表《關於氣體分子的平均自由程》論文,從分析氣體分子間的相互碰撞入手,引入單位時間內所發生的碰撞次數和氣體分子的平均自由程的重要概念,解決了根據理論計算氣體分子運動速度很大而氣體擴散的傳播速度很慢的矛盾,開闢了研究氣體的輸運過程的道路。
氣體分子理論
早在18世紀,科學家們就發現氣體是由大量激烈運動的粒子組成的,氣體的壓力來自於粒子對器壁的碰撞。到了19世紀50年代,克勞修斯等建立了熱力學理論,並用熱的運動學說作為基礎來進行分子運動研究,這大大促進了分子運動學說的發展。l857年,克勞修斯發表了一篇具有奠基性質的論文《論我們稱之為熱的那種運動》,論文內容豐富,闡述了多個有關分子運動的問題。克勞修斯從氣體是運動分子集合體的觀點出發,認為考察單個分子的運動既不可能也毫無意義,系統的宏觀性質不是取決於一個或某些分子的運動,而是取決於大量分子運動的平均值。因此,他提出了統計平均的概念,這是建立分子運動論的前提。根據這個前提,克勞修斯建立了理想氣體分子運動的模型,並強調分子的動能不僅是它們的直線運動,而且是分子中原子旋轉和振蕩的運動,從而正確確定了實際氣體和理想氣體的區別。在此基礎上,克勞修斯計算了碰撞器壁的分子數和相應的分子的動量變化,並通過一系列複雜的演算和論證,最終得出了因分子碰撞而施加給器壁的壓強公式,從而揭示了氣體定律的微觀本質。不僅如此,克勞修斯還把目光投向了氣體的固態和液態。他論斷說:三種聚集態中的分子都在運動,只是運動的方式有所差異而已。
在1857年的淪文中,克勞修斯第一次計算得到了氧、氮、氫3種氣體分子在冰點時的速率。然而這個氣體分子運動速度高達每秒數百米的結論,遠遠超出了人們的意料,因為在現實生活中,氣體的擴散(比如煙霧的瀰漫)過程是相當的緩慢,因此人們對於克勞修斯的研究成果表示了極大的懷疑。如何才能解釋這個根據理論計算得出的分子運動速度,與氣體擴散現象所顯示的速度二者之間的矛盾呢?克勞修斯陷入了新的困惑之中。他意識到,自己以前把分子看作數學幾何點的模型不夠確切,必須加以修正。他從分析氣體分子間的相互碰撞人手,把分子的作用範圍作為他依據的主要概念,引人了在單位時間內所發生的碰撞數和分子運動的自由程兩個概念,並得出了第一個子均自由程的公式。通過這些全新的研究方法,克勞修斯認為,儘管單個分子運動的速度非常快,但由於分子間的相互碰撞,分子運動的軌跡十分曲折,就整個分子的集合體而言,其前進的路程就更加漫長,遠遠小於分子運動速度紿出的結果,這也就是氣體擴散緩慢的原因。克勞修斯開創性地解決了氣體擴散速度小於分子運動速度之間的矛盾,終於打消了人們心頭的疑慮,使得他們對於分子運動論充滿了信心,開闢了研究氣體運動現象的道路。
其他貢獻
克勞修斯在其他方面貢獻也很多。他從理論上論證了焦耳-楞次定律。1851年從熱力學理論論證了克拉珀龍方程,故這個方程又稱克拉珀龍-克勞修斯方程。1853年他發展了溫差電現象的熱力學理論。1857年他提出電解理論。1870年他創立了統計物理中的重要定理之一──位力定理。1879年他提出了電介質極化的理論,由此與O.莫索提各自獨立地導出電介質的介電常數與其極化率之間的關係──克勞修斯-莫索提公式。
主要著作有《力學的熱理論》、《勢函數與勢》、<熱理論的第二提議》等。

3獲得榮譽

被銘刻的榮譽
在自然科學界和哲學界人們永久銘記克勞修斯於1865年用過的兩句名言:
「宇宙的能量是恆定的」。
「宇宙的熵趨向一個最大值」。

4熵的學科延伸

波爾茲曼熵信息熵
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