[1月2日]科学历史上的今天——鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)
1822年1月2日,鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)出生在普鲁士科斯林(今属波兰)。他提出热力学第二定律和熵的概念,促生了热力学这门科学。
克劳修斯小时候在父亲创建的学校学习。1847年他在哈勒大学获得博士学位,论文是关于地球大气层的光学效应,他提出:天呈现蓝色以及在日出日落出现红色霞光,都是由于光的折射和反射。他比约翰·斯特拉特,瑞利男爵(John William Strutt,3rd Baron Rayleigh)更早提出"天空的颜色来自散射",采用了更偏数学的角度。
1850年,他成为柏林炮兵工程学院的物理学无薪讲师。
同年,他发表论文,提出热力学第二定律——
热倾向于“拉匀温度差异,因此是从高温物体传到低温物体”。这篇文章引起了科学共同体的关注。大家普遍认为,
是这篇论文奠定了热动力学的基础。
热力学第二定律的提出
需要解决的问题
克劳修斯注意到:詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule)等人支持的能量守恒定律、卡诺1824年论文中提出的定律,两者存在矛盾
。
问题的解决
克劳修斯重新进行表述,化解了这一矛盾:
1.功与热能之间的关系是固定的。
2.每当热能转化做功,总是伴随着一部分热能,从高温物体传到低温物体。
1857年,克劳修斯改进了奥古斯特·克罗尼格(August Krönig)的简单气体动力学模型。除了分子的平移,克劳修斯的模型还考虑到分子的转动和振动。
1858年,他首创了粒子“平均自由路径”的概念。
气体动力学的发展
焦耳1848年提出的模型,只考虑了气体的平均速度。
克劳修斯于1858年,改进了焦耳的模型。考虑了粒子在不同时间有不同的速度。
1860年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在克劳修斯的基础上改进。不仅极大改进了克劳修斯的统计,且根据实验测得的气体扩散速度和粘性,估算出了平均自由路径的实际数值。
克劳修斯于1858年,改进了焦耳的模型。考虑了粒子在不同时间有不同的速度。
1860年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在克劳修斯的基础上改进。不仅极大改进了克劳修斯的统计,且根据实验测得的气体扩散速度和粘性,估算出了平均自由路径的实际数值。
*麦克斯韦根据1862年克劳修斯的批评,修正了计算,发表于1866年和1867年1865年,约瑟夫·洛施密特(Josef Loschmidt)用麦克斯韦的计算,第一次从热力学理论推算出了分子的大小。
1865年,克劳休斯提出“熵”这个概念,即一个系统每单位温度的热能。他用此概念重新表述了第二定律——
封闭系统中的熵永不减少。
当时,熵仅仅是一个可以通过热量改变来测定的物理量,科学家设法从物理上理解熵这个量。直到统计物理、信息论等一系列科学理论发展,熵的本质才逐渐被解释清楚——熵的本质是一个系统“内在的混乱程度”。
熵的命名
entropy
克劳休斯选择“熵(entropy)”。因为希腊语中 en+tropein,指的是“物质内在的改变”。
熵
1923年,德国科学家普朗克(Planck)来中国讲学,用到entropy这个词。胡刚复教授翻译时,把“商”字加火旁来意译“entropy”这个字,创造了“熵”字(读shāng),因为熵变dS是dQ除以T(温度)的商数。
如今,热力学被用来分析大大小小的发动机,来探讨宇宙命运等宏大命题。
月球上的克劳修斯环形山是以他的名字命名的。
资料来源:
https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Rudolf_Clausius
http://scholarpedia.org/article/Entropy
https://www.britannica.com/biography/Rudolf-Clausius
我们不需要英雄
但我们需要榜样
几只青椒
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