Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (1822 – 1888 гг.) – выдающийся немецкий ученый.
В середине XIX в его работах были заложены основы кинетической теории газов и термодинамики.
В XIX веке наука увеличивает темпы своего развития, это вызвано запросами промышленности и всеобщего прогресса. В 1842 г. Р. Майер представил работу с открытым им законом сохранения и превращения энергии, в 1843 г. Дж. Джоуль доказал его, а в 1847 году Г. Гельмгольц представил закон и его доказательство в общем виде. Результатом этих и подобных исследований стал окончательный отход от теории теплорода. Тепловые явления вновь встали в центре внимания ученых. Стало важным установление закономерностей течения тепловых процессов. В первую очередь необходимо было выяснить:
- направление течения тепловых процессов;
- осуществимость тех или иных процессов;
- способы оценки эффективности работы тепловых машин.
Первые работы
Выдающиеся работы Клаузиуса строились на основе результатов, которые получили его предшественники: Карно, Клапейрон, Томсон. Без результатов исследований свойств газов и паров, открытия закона сохранения и превращения энергии невозможно было бы Клаузиусу реализовать его фундаментальные идеи, составляющие основу современной классической термодинамики. Так, Карно сформулировал идею, Клапейрон и Томсон разработали ее, а Клаузиус закончил поиск и установил второе начало термодинамики.
Первая статья Р. Клаузиуса, которая вышла в свет в 1847 году, была посвящена результатам исследований по проблеме отражения света. Исследуя проблему, ученый разработал микроскопическую модель явления, позволяющую математически изучить поставленные им вопросы.
Следующее исследование Клаузиус посвятил механическим свойствам упругих тел и аномалиям их свойств. Объяснение аномалий он видел в особенностях молекул, составляющих тела. Глубокое проникновение в суть исследуемого объекта помогло ученому при дальнейшей работе разработать основы молекулярно-кинетической теории.
Признание к Р. Клаузиусу, как ученому пришло после того, как вышла его работа «О движущей силе тепла и о законах, которые могут быть получены из учения о теплоте» (1850 г.). Это работа была продолжением работ Карно и Клапейрона. В работе ученый:
- рассматривает вопросы взаимного превращения теплоты и работы.
- обобщает уравнения, полученные Клапейроном (уравнения фазового перехода), для жидкостей и твердых тел.
- продолжает поиски вида функции Карно.
- ищет приемы механического аналога теплоты, утверждает, что при работе тепловой машины происходит не перераспределение теплоты между холодильником и нагревателем, а тепло переходит частично в работу.
Основные достижения ученого
В 1849 – 1850 г. Р. Клаузиус совместно с У. Ранкином предложили соотношения между теплотой и механической работой:
$\Delta Q=\Delta U+A\, \left( 1 \right)$,
выражение (1) – запись первого начала термодинамики, где $\Delta Q$ – количество теплоты, подводимое к системе; $\Delta U$ – изменение внутренней энергии системы; $A$ - работа совершаемая системой.
После того как Клаузиус записал математическую формулировку первого начала термодинамики, он сделал физические пояснения закона. Он считал, что когда из теплоты получается работа, на ее производство затрачивается некоторое количество теплоты и наоборот, при затрате той же работы получается то же количество тепла.
После этого Клаузиус считал, что разность между $\Delta Q$ и $A$ всегда неизменна при переходе из одного состояния в другое. Величина этой разности ($\Delta U$= $\Delta Q$$-A$) функция только температуры и не зависит от способа перехода системы из начального состояния в конечное.
Далее, ученый говорит о том, что совершаемая работа будет разной при реализации разных тепловых процессов.
В 1850 г. ученый дал формулировку второму началу термодинамики.
Р. Клаузиус создал термодинамический цикл идеальной тепловой машины.
Он ввел понятие внутренней энергии системы в физику.
В 1850 г. Р. Клаузиус распространил уравнение, полученное Б. Клапейроном для конденсирующегося пара, пребывающего в тепловом равновесии с жидкостью, на другие фазовые переходы. Предложил кинетическую теорию фазовых переходов вещества. Обосновал изменение температуры плавления вещества при изменении давления.
Р. Клазиус создатель термодинамической теории термоэлектричества. Рассмотрел теорию электролиза. Дал теоретическое обоснование закону Джоуля – Ленца.
В 1854 г. ученый математически записал второе начало термодинамики для обратимых процессов. В 1862 году второе начало термодинамики получило математическое выражение для необратимых процессов.
Р. Клаузиус определил КПД тепловой машины ($\eta$), используя температуры нагревателя ($T_1$) и холодильника ($T_2$):
$\eta =\frac{T_{1}-T_{2}}{T_{1}}\left( 2 \right)$
В 1857 г Р. Клаузиус выдвинул основные положения кинетической теории газов. Над этой теорией трудились так же Д. Бернули, Дж. Герапат, Дж. Джоуль, А. Крениг, Дж. Максвелл.
Р. Клаузиус предложил понятие «сфера действия молекул», нашел среднюю длину свободного пробега молекулы.
Р. Клазиус установил неравенство:
$\oint {\frac{dQ}{T}\le 0\, \left( 3 \right).}$
Он ввел понятие энтропии и установил принцип, в соответствии с которым энтропия замкнутой системы не изменяется, если процессы, происходящие в этой системе, обратимые или увеличивается, если процессы необратимы.
$dS\ge \frac{dQ}{T}\, \left( 4 \right)$,
где $S$ - энтропия; $T$ – абсолютная температура; $dQ$ – элементарное количество теплоты.
В 1870 г. Р. Клаузиус сформулировал теорему вириала, которая связала усредненную энергию движения частиц системы с силами, которые оказывают воздействие на эти частицы в системе.
Развивая теорию О. Моссоти, Р. Клаузиус создал теорию поляризации диэлектриков и нашел отношение диэлектрической проницаемости и плотности диэлектрика, которое позднее назвали уравнением Клаузиуса - Моссоти.
Клаузиус был сторонником ошибочной гипотезы У. Томсона о тепловой смерти Вселенной, распространив принцип роста энтропии в замкнутой системе на Вселенную.
Как ведущий физик Европы Клаузиус был членом Специальной комиссии при создании единой системы единиц физических величин, которая была создана Первым международным конгрессом электриков в 1881 г.
