克劳修斯解读.PDF

克劳修斯“解读” 1．克劳修斯的生平简介及主要贡献 鲁道夫·尤里乌斯·艾曼努尔·克劳修斯 (Rudolf Julius Emanuel Clausisu， 1822.1-1888.8)，德国物理学家和数学家，是气体 动理论和热力学主要奠基人之一。 1822年1月2日，克劳修斯出生于波美拉尼亚 省的克斯林市，即现在的波兰科沙林的的一个知识 分子家庭。父亲是一个有作为的小学校长，母亲也 是一位教师，其父母十分重视对子女的教育。克劳 修斯就是在他父亲创办的学校里接受了人生的启 蒙教育。几年之后，他去了什切青市就读文理中学， 克劳修斯 1844年从柏林大学毕业，他在大学学习的是数学和物理，同学中有海因里希·马 格努斯（Heinrich Magnus）、约翰·彼得·狄利克雷及雅各布·施泰纳（Jakob Steiner），也跟兰克学习过历史。1847年，他完成对地球大气的光学研究从哈雷 大学取得了博士学位，之后当上了德国皇家炮兵工科学院的物理学教授及柏林大 学的无俸讲师。1855年至1867年在苏黎世联邦理工学院担任教授，其后移居至维 尔茨堡，两年后的 1869年又移居波恩。1868年他曾被法国科学院、英国皇家学会 和彼得堡科学院选为院士或会员。1870年获惠更斯奖。1879年，他荣获了著名的 英国皇家学会科普利奖章。1882年获维尔茨堡大学颁授荣誉博士学位。1883年获 彭赛列奖。月球上的克劳修斯环形山以他的名字命名。他的妻子阿德莱德·丽姆 普兰姆（Adelheid Rimpham）于1875年难产而死，留下他独力抚养六个孩子。但 他仍继续教学，只是从此研究时间就少了。1888年8月24日，克劳修斯于波恩逝 世，享年66岁。 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。 他重新陈述了萨迪·卡诺的定律（又被称为卡诺循环），把热理论推至一个更 真实更健全的基础。他最重要的论文于1850年发表，该论文是关于热的力学理论 1 的，其中首次明确指出热力学第二定律的基本概念。他还于1855年引进了熵的概 念。 克劳修斯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。论文的第一部分，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）：热量不能自发地从较低温度的物体传到较高温度的物体，而不引起其它的变 化。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