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    克劳修斯——热力学的奠基人

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      鲁道夫·尤里乌斯·艾曼努尔·克劳修斯(Rudolf Julius Enmanvel Clausius,1822-1888)德国物理学家,是气体动理论和热力学的主要奠基人之一。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      1822年1月2日,克劳修斯生于普鲁士的克斯林(今波兰科沙林)的一个知识分子家庭,他的母亲是一位女教师,家中有多个兄弟姐妹。他中学毕业后,先考入了哈雷大学,后转入柏林大学学习。克劳修斯从小就具有数理方面的天赋,在小学和中学阶段,他的成绩总是名列班级前茅,老师和同学都对他另眼相看。然而,真正让师生敬重的不是他的天赋,而是他的勤奋刻苦。克劳修斯学习非常努力,凭他在数理方面的能力,考试得高分根本不成问题,但是他上课仍然十分专心,老师布置的作业总是一丝不苟地很快完成。他把大量的课余时间都用在了课本之外的学习上,广泛阅读各类书籍,特别是在兴趣浓厚的数理方面,自学得非常认真。到了大学和研究生阶段,由于家境清寒,克劳修斯开始考虑如何减轻家庭负担,他不得不一边学习一边兼任家庭补习教师,以此来资助弟妹的生活,半工半读的生活虽十分辛苦,但为了不耽误学习和研究,克劳修斯以超乎异常的毅力要求自己,把因打工而花费的时间用勤奋补回来。在整个读书阶段,他几乎没有休息日,除了工作就是学习、实验,始终没有轻松的时刻。克劳修斯认为,每个人的成功都来自勤奋的工作。由于长时间沉浸在枯燥的科学研究之中,克劳修斯的性格显得有些孤僻,但是他为人极其坦诚,从不阿谀奉承,也不自高自大。他把全身心都扑在了科学研究上,然而一旦有人需要他的帮助,他都尽力去做,绝不推脱。在克劳修斯成名以后,常常会有人向他请教问题,有的书信求教,有的登门拜访,他都认真对待。在学校里,许多学生都愿意随克劳修斯学习,有些学生自以为很了不起,往往和他争论,克劳修斯就会心平气和地指出其不足之处和值得称道的地方,从不以势压人,反而如朋友一般地进行讨论,直到问题的解决。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      克劳修斯主要从事分子物理、热力学、蒸汽机理论、理论力学、数学等方面的研究,特别是在热力学理论、气体动理论方面建树卓著。他是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。1850年与兰金(William John Ma-Zquorn Rankine,1820~1872)各自独立地表述了热与机械功的普遍关系──热力学第一定律,并且提出蒸汽机的理想的热力学循环(兰金-克劳修斯循环)。1850年克劳修斯发表《论热的动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律》的论文。他从热是运动的观点对热机的工作过程进行了新的研究。论文首先从焦耳确立的热功当量出发,将热力学过程遵守的能量守恒定律归结为热力学第一定律,指出在热机作功的过程中一部分热量被消耗了,另一部分热量从热物体传到了冷物体。这两部分热量和所产生的功之间存在关系:

      U d  dQ

      式中dQ是传递给物体的热量,dW表示所作的功,U是克劳修斯第一次引人热力学的一个新函数,是体积和温度的函数。后来开尔文把U称为物体的能量,即热力学系统的内能。论文的第二部分,在卡诺定理的基础上研究了能量的转换和传递方向问题,提出了热力学第二定律的最著名的表述形式(克劳修斯表述):热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体。因此克劳修斯是热力学第二定律的两个主要奠基人(另一个是开尔文)之一。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      1854年,克劳修斯最先提出了的概念,进一步发展了热力学理论。他将热力学定律表达为:宇宙的能量是不变的,而它的熵则总在增加。由于他引进了熵的概念,因而使热力学第二定律公式化,使它的应用更为广泛了。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      1855年,克劳修斯被聘为苏黎世大学正教授,在这所大学他任教长达十二年。这期间,他除了给大学生讲课外,还积极地进行科学探索。

      1857年,克劳修斯研究气体动力学理论取得成就,他提出了气体分子绕本身转动的假说。

      这一年,他发表了《论我们称之为热能的动力类型》一文,在这篇文章中他将气体分子的动能不仅看做是它们的直线运动,而且看作是分子中原子旋转和振荡的运动。这样,他就正确地,尽管不是充分地(只有量子理论才能给予充分的解释),确定了实际气体与理想气体的区别。同年,他还研究了电解质和电介质。他重新解释了盐的电解质溶液中分子的运动;他建立了固体的电介质理论。他还提出描述分子极性同电介质常数之间关系的方程。同时他还提出了电解液分解的假说。这一假说,后来经过阿仑尼乌斯的进一步发展成为电解液理论。

      1858年,克劳修斯通过细心的研究,推导出了气体分子平均自由程公式,找出了分子平均自由程与分子大小和扩散系数之间的关系。同时,他还提出分子运动自由程分布定律。他的研究也为气体分子运动论的建立做出了杰出的贡献。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      1860年,克劳修斯计算出了气体分子运动速度。后来,他确定了气体对于器壁的压力值相当于分子撞击器壁的平均值。运用与概率论相结合的平均值方法,他开辟了物理学一个极为重要的领域,即创建了统计物理学的学科。

      在后来的著作中,克劳修斯推导出能表示受压力影响的物体熔点(凝固点)的方程式,后来被称为克拉佩龙—克劳修斯方程

      克劳修斯在科学研究方面的主要贡献是建立热力学基础;同时,他在分子运动论以及电解质和固体电介质理论方面也都做出了重大的贡献。鉴于他在物理学各领域中所做出的贡献和取得的成就,1865年,他被选为法国科学院院士。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      1867年,克劳修斯受聘于维尔茨堡大学,担任教授。在这所大学里他任教两年。在这期间(1868年),他又被选为英国伦敦皇家学会会长。1869年以后,他任波恩大学教授。1870年他最先提出了均功理论。

      1870年至1871年的战争期间,克劳修斯的膝盖惨遭重伤,因此,不得不将学生们的实验课交给克莱门斯凯特来负责。此人虽然被称为“老一辈人”的代表人物,但他并没有给他的继承者留下任何设备与仪器。也许,正是由于这个原因,尽管克劳修斯是当时最先进的物理学家,波恩大学的实验物理却没能得到应有的发展,也没能形成一种科学流派。

      克劳修斯不仅在科研方面取得了重大的成就,而且在教学上也取得了良好的效果。他先后在柏林大学、苏黎世大学、维尔茨堡大学和波恩大学执教长达三十余年,桃李芬芳。他培养的很多学生后来都已成为了知名的学者,有的甚至是举世闻名的物理学家。

      另外,克劳修斯除发表了大量的学术论文外,还出版了一些重要的专著,如《机械热理论》第一卷和第二卷、《势函数和势》等。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

      克劳修斯纪念石

       

      在克劳修斯的晚年,他不恰当地把热力学第二定律引用到整个宇宙,认为整个宇宙的温度必将达到均衡而不再有热量的传递,从而成为所谓的热寂状态,这就是克劳修斯首先提出来的“热寂说”。热寂说否定了物质不灭性在质上的意义,而且把热力学第二定律的应用范围无限的扩大了。

       

      克劳修斯——热力学的奠基人

       

      克劳修斯于1888年逝世,终年六十六岁。克劳修斯虽然在晚年错误地提出了“热寂说”,但在他一生的大部分时间里,在科学、教育上做了大量有益的工作。特别是他奠定了热力学理论基础,他的大量学术论文和专著是人类宝贵的财富,他在科学史上的功绩不容否定。他诚挚、勤奋的精神同样值得后人学习。

       

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