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德国物理学家、热力学的奠基人之一克劳修斯出生于克斯林诞辰

1822年1月2日

克劳修斯

         克劳修斯(Rudolph 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。1822年1月2日生于普鲁士的克斯林(今波兰科沙林)的一个知识分子家庭。曾就学于柏林大学。1847年在哈雷大学主修数学和物理学的哲学博士学位。从1850年起,曾先后任柏林炮兵工程学院、苏黎世工业大学、维尔茨堡大学、波恩大学物理学教授。他曾被法国科学院、英国皇家学会和彼得堡科学院选为院士或会员。

         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:。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,是体积和密度的函数。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。

      在发现热力学第二定律的基础上,人们期望找到一个物理量,以建立一个普适的判据来判断自发过程的进行方向。克劳修斯首先找到了这样的物理量。1854年他发表《力学的热理论的第二定律的另一种形式》的论文,给出了可逆循环过程中热力学第二定律的数学表示形式:,而引入了一个新的后来定名为熵的态参量。1865年他发表《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》的论文,把这一新的态参量正式定名为熵。并将上述积分推广到更一般的循环过程,得出热力学第二定律的数学表示形式:≤0等号对应于可逆过程,不等号对应于不可逆过程。这就是著名的克劳修斯不等式。利用熵这个新函数,克劳修斯证明了:任何孤立系统中,系统的熵的总和永远不会减少,或者说自然界的自发过程是朝着熵增加的方向进行的。这就是“熵增加原理”,它是利用熵的概念所表述的热力学第二定律。后来克劳修斯不恰当地把热力学第二定律推广到整个宇宙,提出所谓“热寂说”。


        在气体动理论方面克劳修斯作出了突出的贡献。克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼被称为气体动理论的三个主要奠基人。由于他们的一系列工作使气体动理论最终成为定量的系统理论。1857年克劳修斯发表《论热运动形式》的论文,以十分明晰的方式发展了气体动理论的基本思想。他假定气体中分子以同样大小的速度向各个方向随机地运动,气体分子同器壁的碰撞产生了气体的压强,第一次推导出著名的理想气体压强公式,并由此推证了玻意耳-马略特定律和盖·吕萨克定律,初步显示了气体动理论的成就。而且第一次明确提出了物理学中的统计概念,这个新概念对统计力学的发展起了开拓性的作用。


      1858年发表《关于气体分子的平均自由程》论文,从分析气体分子间的相互碰撞入手,引入单位时间内所发生的碰撞次数和气体分子的平均自由程的重要概念,解决了根据理论计算气体分子运动速度很大而气体扩散的传播速度很慢的矛盾,开辟了研究气体的输运过程的道路。 


        克劳修斯在其他方面贡献也很多。他从理论上论证了焦耳-楞次定律。1851年从热力学理论论证了克拉珀龙方程,故这个方程又称克拉珀龙-克劳修斯方程。1853年他发展了温差电现象的热力学理论。1857年他提出电解理论。1870年他创立了统计物理中的重要定理之一──位力定理。1879年他提出了电介质极化的理论,由此与O.莫索提各自独立地导出电介质的介电常数与其极化率之间的关系──克劳修斯-莫索提公式。


        主要著作有《力学的热理论》、《势函数与势》、<热理论的第二提议》等。

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