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德國物理學(xué)家
代表作《力學(xué)的熱理論》
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德國數(shù)學(xué)家魯?shù)婪颉び壤麨跛埂ぐｑR努埃爾·克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822年1月2日－1888年8月24日），德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一。生于普魯士的克斯林（今波蘭科沙林），卒于波恩。他重新陳述了薩迪·卡諾的定律（又被稱為卡諾循環(huán)），把熱理論推至一個更真實更健全的基礎(chǔ)。
基本信息
| 別名 | 魯?shù)婪颉た藙谛匏?/div> |
| 出生日期 | 1822年1月2日 |
| 出生地 | 德國波美拉尼亞省科斯林（現(xiàn)波蘭科沙林） |
| 去世日期 | 1888年8月24日 |
| 籍貫 | 德國 |
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人物簡介
魯?shù)婪颉び壤麨跛埂ぐｑR努埃爾·克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，1822年1月2日－1888年8月24日），德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一。他重新陳述了尼古拉·卡諾的定律（又被稱為卡諾循環(huán)），把熱理論推至一個更真實更健全的基礎(chǔ)。他最重要的論文于1850年發(fā)表，該論文是關(guān)于熱的力學(xué)理論的，其中首次明確指出熱力學(xué)第二定律的基本概念。他還于1865年引進了熵的概念。
主要經(jīng)歷
1822年1月2日生于普魯士的克斯林（今波蘭科沙林）的一個知識分子家庭。1840年入柏林大學(xué)。1847年在哈雷大學(xué)主修數(shù)學(xué)和物理學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位。從1850年起，曾先后任柏林炮兵工程學(xué)院、蘇黎世工業(yè)大學(xué)、維爾茨堡大學(xué)、波恩大學(xué)物理學(xué)教授。他曾被法國科學(xué)院、英國皇家學(xué)會和彼得堡科學(xué)院選為院士或會員。）因發(fā)表論文《論熱的動力以及由此導(dǎo)出的關(guān)于熱本身的諸定律》而聞名。1855年任蘇黎世工業(yè)大學(xué)教授，1867年任德意志帝國維爾茨堡大學(xué)教授，1869年起任波恩大學(xué)教授。1865年和1868年分別當選法國科學(xué)院院士和英國皇家學(xué)會會長。
生平
克勞修斯生于波美拉尼亞省的克斯林市，在他父親的學(xué)校開始接受教育。幾年之后，他去了什切青市就讀文理中學(xué)，1844年從柏林大學(xué)畢業(yè)，他在大學(xué)學(xué)習(xí)的是數(shù)學(xué)和物理，同學(xué)中有海因里?！ゑR格努斯（Heinrich Magnus）、約翰·彼得·狄利克雷及雅各·施泰納（Jakob Steiner），也跟蘭克學(xué)習(xí)過歷史。1847年，他完成對地球大氣的光學(xué)研究從哈雷大學(xué)取得了博士學(xué)位，之后當上了德國皇家炮兵工科學(xué)院的物理學(xué)教授及柏林大學(xué)的無俸講師。1855年至1867年在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院擔任教授，其后移居至維爾茨堡，兩年后的1869年又移居波恩。
他的妻子阿德萊德·麗姆普蘭姆（Adelheid Rimpham）于1875年難產(chǎn)而死，留下他獨力撫養(yǎng)六個孩子。但他仍繼續(xù)教學(xué)，只是從此研究時間就少了?？藙谛匏褂诓ǘ魅ナ?。
研究
克勞修斯在他關(guān)于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(xiàn)象），都是由光的折射和反射導(dǎo)致的。以后，瑞利勛爵提出這其實是由光的散射所導(dǎo)致的，但無論如何，克勞修斯所采取的研究方法比之前的相關(guān)研究要數(shù)學(xué)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 W?rme）于1850年發(fā)表，其中涉及到熱的力學(xué)理論。在這篇論文中，他提出了卡諾的定律與能量守恒的概念不一致，克勞修斯重新陳述了兩條熱力學(xué)定律以克服這個矛盾（第三定律由瓦爾特·能斯特于1906年至1912年間發(fā)表）。這篇論文使得他的科學(xué)事業(yè)開始起飛。
克勞修斯在1857年改進了奧古斯特·克羅尼格（August Kr?nig）非常簡單的氣體運動模型，引進了分子的平移、旋轉(zhuǎn)及振動運動，對分子運動論領(lǐng)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(xué)中推論出克勞修斯-克拉佩龍方程，這個關(guān)系是一種描述兩態(tài)之間相變的方式，例如固態(tài)及液態(tài)，最初由埃米勒·克拉伯隆于1834年發(fā)表。
研究成果
熱力學(xué)研究
克勞修斯主要從事分子物理、熱力學(xué)、蒸汽機理論、理論力學(xué)、數(shù)學(xué)等方面的研究，特別是在熱力學(xué)理論、氣體動理論方面建樹卓著。他是歷史上第一個精確表示熱力學(xué)定律的科學(xué)家。1850年與蘭金（William John Ma－Zquorn Rankine，1820～1872）各自獨立地表述了熱與機械功的普遍關(guān)系——熱力學(xué)第一定律，并且提出蒸汽機的理想的熱力學(xué)循環(huán)（蘭金－克勞修斯循環(huán)）。1850年克勞修斯發(fā)表《論熱的動力以及由此推出的關(guān)于熱學(xué)本身的諸定律》的論文。他從熱是運動的觀點對熱機的工作過程進行了新的研究。論文首先從焦耳確立的熱功當量出發(fā)，將熱力學(xué)過程遵守的能量守恒定律歸結(jié)為熱力學(xué)第一定律，指出在熱機作功的過程中一部分熱量被消耗了，另一部分熱量從熱物體傳到了冷物體。這兩部分熱量和所產(chǎn)生的功之間存在關(guān)系：。式中dQ是傳遞給物體的熱量，dW表示所作的功，U是克勞修斯第一次引入熱力學(xué)的一個新函數(shù)，是體積和溫度的函數(shù)。后來開爾文把U稱為物體的能量，即熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能。論文的第二部分，在卡諾定理的基礎(chǔ)上研究了能量的轉(zhuǎn)換和傳遞方向問題，提出了熱力學(xué)第二定律的最著名的表述形式（克勞修斯表述）：熱不能自發(fā)地從較冷的物體傳到較熱的物體。因此克勞修斯是熱力學(xué)第二定律的兩個主要奠基人（另一個是開爾文）之一。
在發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，人們期望找到一個物理量，以建立一個普適的判據(jù)來判斷自發(fā)過程的進行方向?？藙谛匏故紫日业搅诉@樣的物理量1854年他發(fā)表《力學(xué)的熱理論的第二定律的另一種形式》的論文，給出了可逆循環(huán)過程中熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示形式：，而引入了一個新的后來定名為熵的態(tài)參量。1865年他發(fā)表《力學(xué)的熱理論的主要方程之便于應(yīng)用的形式》的論文，把這一新的態(tài)參量正式定名為熵。并將上述積分推廣到更一般的循環(huán)過程，得出熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示形式：≤0等號對應(yīng)于可逆過程，不等號對應(yīng)于不可逆過程。這就是著名的克勞修斯不等式。利用熵這個新函數(shù)，克勞修斯證明了：任何孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)的熵的總和永遠不會減少，或者說自然界的自發(fā)過程是朝著熵增加的方向進行的。這就是“熵增加原理”，它是利用熵的概念所表述的熱力學(xué)第二定律。后來克勞修斯不恰當?shù)匕褵崃W(xué)第二定律推廣到整個宇宙，提出所謂“熱寂說”。
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?？藙谛匏?、麥克斯韋、玻耳茲曼被稱為氣體動理論的三個主要奠基人。由于他們的一系列工作使氣體動理論最終成為定量的系統(tǒng)理論。1857年克勞修斯發(fā)表《論熱運動形式》的論文，以十分明晰的方式發(fā)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(chǎn)生了氣體的壓強，第一次推導(dǎo)出著名的理想氣體壓強公式，并由此推證了玻意耳－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(xué)中的統(tǒng)計概念，這個新概念對統(tǒng)計力學(xué)的發(fā)展起了開拓性的作用。
1858年發(fā)表《關(guān)于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(nèi)所發(fā)生的碰撞次數(shù)和氣體分子的平均自由程的重要概念，解決了根據(jù)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，開辟了研究氣體的輸運過程的道路。
熱力學(xué)理論
熱力學(xué)理論的奠基者克勞修斯一生研究廣泛，但最著名的成就是提出了熱力學(xué)第二定律，成為熱力學(xué)理論的奠基人之一。人類科學(xué)發(fā)展到19世紀，蒸汽機的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，如何進一步提高熱機的效率問題越來越受到人們的重視，成了理淪物理研究的重點課題。1824年，卡諾在熱質(zhì)說和永動機不可能的基礎(chǔ)上證明了后來著名的卡諾定理，這不僅推論出了熱機效率的最上限，而且也包含了熱力學(xué)第二定律的若干內(nèi)容。此后，經(jīng)過許多科學(xué)家長期的研究，到19世紀中葉，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律建立了起來，這個物理學(xué)中極其重要的普遍規(guī)律，很快就成為研究熱和其他各種運動形式相互轉(zhuǎn)化的堅實基礎(chǔ)。
克勞修斯從青年時代起，就決定對熱力進行理論上的研究，他認為一旦在理論上有了突破，那么提高熱機的效率問題就可以迎刃而解。有了明確目標，克勞修斯學(xué)習(xí)異常勤奮，他知道只有在學(xué)生階段打下堅實的數(shù)理基礎(chǔ)，才能在今后的研究道路上有所建樹。因此，克勞修斯用了近10年時間在學(xué)校里埋頭苦讀。有志者事竟成，1850年，克勞修斯發(fā)表了第一篇關(guān)于熱的理淪的論文——《論熱的動力以及由此推出關(guān)于熱本身的定律》。在論文里，他首先以當時焦耳用實驗方法所確立的熱功當量為基礎(chǔ)，第一次明確提出了熱力學(xué)第一定律：在一切由熱產(chǎn)生功的情況中，必有和所產(chǎn)生的功成正比的熱量被消耗掉；反之，消耗同樣數(shù)量的功，也就會產(chǎn)生同樣數(shù)量的熱。按照這個基本定律，克勞修斯又以理想氣體為例，進行進一步的論述，否定了熱質(zhì)理論的基本前提，即宇宙中的熱量守恒，物質(zhì)內(nèi)部的熱量是對氣體分子運動論的貢獻
作為熱力學(xué)理淪的奠基人，克勞修斯一生的成就遠不止于此，他在許多方面都取得了令人矚目的研究成果，尤其在氣體分子運動論方面，人們也習(xí)慣性地把他和麥克斯韋、玻耳茲曼一起稱為分子運動論的奠基人。
氣體分子理論
早在18世紀，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)氣體是由大量激烈運動的粒子組成的，氣體的壓力來自于粒子對器壁的碰撞。到了19世紀50年代，克勞修斯等建立了熱力學(xué)理論，并用熱的運動學(xué)說作為基礎(chǔ)來進行分子運動研究，這大大促進了分子運動學(xué)說的發(fā)展。1857年，克勞修斯發(fā)表了一篇具有奠基性質(zhì)的論文《論我們稱之為熱的那種運動》，論文內(nèi)容豐富，闡述了多個有關(guān)分子運動的問題?？藙谛匏箯臍怏w是運動分子集合體的觀點出發(fā)，認為考察單個分子的運動既不可能也毫無意義，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不是取決于一個或某些分子的運動，而是取決于大量分子運動的平均值。因此，他提出了統(tǒng)計平均的概念，這是建立分子運動論的前提。根據(jù)這個前提，克勞修斯建立了理想氣體分子運動的模型，并強調(diào)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(zhuǎn)和振蕩的運動，從而正確確定了實際氣體和理想氣體的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，克勞修斯計算了碰撞器壁的分子數(shù)和相應(yīng)的分子的動量變化，并通過一系列復(fù)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(zhì)。不僅如此，克勞修斯還把目光投向了氣體的固態(tài)和液態(tài)。他論斷說：三種聚集態(tài)中的分子都在運動，只是運動的方式有所差異而已。
在1857年的論文中，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(shù)百米的結(jié)論，遠遠超出了人們的意料，因為在現(xiàn)實生活中，氣體的擴散(比如煙霧的彌漫)過程是相當?shù)木徛虼巳藗儗τ诳藙谛匏沟难芯砍晒硎玖藰O大的懷疑。如何才能解釋這個根據(jù)理論計算得出的分子運動速度，與氣體擴散現(xiàn)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(shù)學(xué)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入手，把分子的作用范圍作為他依據(jù)的主要概念，引人了在單位時間內(nèi)所發(fā)生的碰撞數(shù)和分子運動的自由程兩個概念，并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，盡管單個分子運動的速度非?？?，但由于分子間的相互碰撞，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，遠遠小于分子運動速度紿出的結(jié)果，這也就是氣體擴散緩慢的原因。克勞修斯開創(chuàng)性地解決了氣體擴散速度小于分子運動速度之間的矛盾，終于打消了人們心頭的疑慮，使得他們對于分子運動論充滿了信心，開辟了研究氣體運動現(xiàn)象的道路。
熵理論
克勞修斯在1867年發(fā)表的論文“Abhandlungen über die mechanische W?rmetheorie, Zweite Abteilung”中，首次為熵概念提供了數(shù)學(xué)版本，并為它命名，他用了現(xiàn)已棄用的熵單位“克勞修斯”（符號為Cl）。
1 Cl = 1 cal/°C = 4.1868 J/K
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(xué)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(fā)展了溫差電現(xiàn)象的熱力學(xué)理論。1857年他提出電解理論。1870年他創(chuàng)立了統(tǒng)計物理中的重要定理之一──位力定理。1879年他提出了電介質(zhì)極化的理論，由此與O.莫索提各自獨立地導(dǎo)出電介質(zhì)的介電常數(shù)與其極化率之間的關(guān)系──克勞修斯－莫索提公式。
主要著作有《力學(xué)的熱理論》、《勢函數(shù)與勢》、<熱理論的第二提議》等。
獲得榮譽
學(xué)術(shù)榮譽
1868年獲選為英國皇家學(xué)會會員，1879年獲科普利獎?wù)隆?870年獲惠更斯獎。1883年獲彭賽列獎。1882年獲維爾茨堡大學(xué)頒授榮譽博士學(xué)位。月球上的克勞修斯環(huán)形山以他的名字命名。
被銘刻的榮譽
在自然科學(xué)界和哲學(xué)界人們永久銘記克勞修斯于1865年用過的兩句名言：
“宇宙的能量是恒定的”。
“宇宙的熵趨向一個最大值”。
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