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在19世紀60年代，有人曾十分戲劇性地描繪了“世界末日”的情景：“宇宙越是接近于其熵為一最大值的極限狀態(tài)，它繼續(xù)發(fā)生變化的可能就越?。划?dāng)它完全達到這個狀態(tài)時，就不會再出現(xiàn)進一步的變化了，宇宙將永遠處于一種惰性的死寂狀態(tài)?！边@就是轟動一時的“宇宙熱寂論”。德國科學(xué)家克勞修斯，他提出的“熵”的概念和熱力學(xué)第二定律。 年輕的大學(xué)教授 魯?shù)婪?克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausisu)是德國物理學(xué)家、熱力學(xué)奠基人之一。1822年1月2日，克勞修斯出生于波蘭科沙林。父親是小學(xué)校長?？藙谛匏咕褪窃谒赣H創(chuàng)辦的學(xué)校里接受了人生的啟蒙教育。在小學(xué)里，克勞修斯是個聰明調(diào)皮的學(xué)生，尤其在數(shù)理方面有著與眾不同的才能，而他父親也就有意識地培育他這方面的興趣和能力。小學(xué)畢業(yè)后，克勞修斯進入斯德丁中學(xué)繼續(xù)他的學(xué)業(yè)，隨后于1840年順利考入柏林大學(xué)。在大學(xué)里，克勞修斯如魚得水，學(xué)習(xí)非常努力，而且興趣廣泛。他一度對歷史產(chǎn)生了濃厚的興趣，準備從事歷史研究，但又始終放不下對數(shù)理科學(xué)的鐘愛?？藙谛匏沟母改负屠蠋煻挤e極支持克勞修斯在數(shù)理方面發(fā)展，認為他有這方面的天賦，克勞修斯自己也覺得真正喜歡的還是數(shù)理科學(xué)，因此，他最后還是決定選擇數(shù)理研究作為自己的專攻方向。在柏林大學(xué)完成了大學(xué)學(xué)業(yè)以后，克勞修斯又進入哈雷大學(xué)，攻讀主修數(shù)學(xué)和物理的哲學(xué)博士學(xué)位。1847年，克勞修斯獲得博士學(xué)位，開始在柏林炮兵工程學(xué)院任教，擔(dān)任物理課教師。 1850年，克勞修斯發(fā)表了一篇關(guān)于熱的理論的論文，這是他第一次發(fā)表比較有分量的科研文章，但立刻引起了科學(xué)界的關(guān)注。在文中他提出的觀點，后來被認為是熱力學(xué)的第二定律。柏林炮兵工程學(xué)院對這位年輕的小伙子青睞有加，不久便破格聘他擔(dān)任學(xué)校的教授職位，如此年輕便擔(dān)任教授一職，這在學(xué)院還是第一次。但是克勞修斯在炮兵工程學(xué)院的任職時間并不長。1859年，他來到蘇黎世工業(yè)大學(xué)，擔(dān)任物理學(xué)教授。蘇黎世工業(yè)大學(xué)給克勞修斯的研究提供了良好的環(huán)境。在這里，他全身心地投入到物理學(xué)的研究之中?？藙谛匏寡芯康囊曇胺浅ｉ_闊，成就非凡，尤其在熱力學(xué)方面，經(jīng)過近10年的研究，他得出了熱力學(xué)的“克勞修斯不等式”，隨即提出了“熵”這一熱力學(xué)上的重要概念?？藙谛匏乖谔K黎世工業(yè)大學(xué)前后一共工作了12年，這期問他在科學(xué)研究上碩果累累，成為世人公認的大科學(xué)家。1869年克勞修斯返回德國，擔(dān)任維爾茨堡大學(xué)教授，兩年后，他又移居波恩，擔(dān)任波恩大學(xué)教授，繼續(xù)從事他的物理科學(xué)研究?？藙谛匏乖诓ǘ鞔髮W(xué)的研究工作并不順利，條件也比較艱苦。1870～1871年普法戰(zhàn)爭全面爆發(fā)?？藙谛匏箮ьI(lǐng)一個學(xué)生救護小組，四處救助傷員，不幸卻嚴重損壞了自己的膝蓋，從此長期受到傷痛的折磨，不得不將學(xué)生的實驗課交給其他老師負責(zé)。此后不久，克勞修斯又遭到更為沉重的打擊，他的妻子在生第6個孩子時去世，這不但在精神上使克勞修斯備感蒼涼，而且從此他不得不把一部分精力從科學(xué)研究中分出來，獨立承擔(dān)起照顧家庭的重任。盡管如此，克勞修斯還是在研究中取得了許多新的成就。1888年8月24日，克勞修斯工作到最后一刻黯然去世。 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，成了理論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)于熱的理論的論文——《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(dāng)時焦耳用實驗方法所確立的熱功當(dāng)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)部的熱量是物質(zhì)狀態(tài)函數(shù)的觀點。 在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上，克勞修斯接著在論文的第二部分，重新論證了卡諾于1824年得出的“卡諾定律”——工作于兩個溫度問的一切理想熱機，有同樣多的熱量轉(zhuǎn)移而得到同樣多的功，且與工作物質(zhì)無關(guān)，在這個循環(huán)過程中熱量并未消失?？藙谛匏菇?jīng)過精密的論證后認為，卡諾定理的基本內(nèi)容是正確的，但熱量的沒有消失顯然和熱功當(dāng)量相矛盾，因此卡諾在論證過程中所依托的“熱質(zhì)守恒”是不可信的?？藙谛匏怪赋?，根據(jù)我們的日常經(jīng)驗，要使熱從低溫物體傳向高溫物體，必須要消耗某種動力或者有其他的一些變化。在沒有任何形式變化的情況下，熱必定是從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移。這一著名的論斷就是熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。 熱力學(xué)第一、第二定律的確立，標志著熱力學(xué)基本理論的完成?？藙谛匏挂蛱岢鰺崃W(xué)第二定律而聲譽雀起，年紀輕輕就躋身于科學(xué)家的行列。但科學(xué)道路永無止境，克勞修斯一如既往地在科學(xué)道路上長途跋涉。 概念的提出
有了熵的概念，熱力學(xué)第二定律可以從數(shù)學(xué)上表述為熵增加原理，他揭示了自然界中這樣的一個事實：在一個可逆的過程中，系統(tǒng)的熵越大，就越接近平衡狀態(tài)，雖然此間能量的數(shù)量不變，但可供利用或者是轉(zhuǎn)化的能量卻是越來越少?？藙谛匏褂渺氐母拍顏矶康乇硎鰺崃W(xué)的第二定律，為熱力學(xué)的發(fā)展開辟了全新的道路，人們通過這一簡潔的定理，對熱運動學(xué)說有了更為全面的認識。就這樣，熱力學(xué)第一定律闡明了熱在轉(zhuǎn)化過程中各種能量總是保持不變的規(guī)律，熵增加原理則定量地揭示出宏觀過程的方向性和限度，兩個定律相互交織，構(gòu)成了一幅完整的圖畫，使人們對熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)化過程的基本特征有了全面的認識。 在1865年的論文末尾，克勞修斯把熱力學(xué)第一、第二定律擴大到適用于整個宇宙范圍，他認為宇宙的能量是個常數(shù)，宇宙的熵趨于某一最大值。此后，他在一次講演中進一步指出：宇宙的熵越接近某一最大的極限值，那么它變化的可能性越小，宇宙將永遠處于一種惰性的死寂狀態(tài)。這就是所謂的“熱寂說”?？藙谛匏惯@個觀點顯然是錯誤的。恩格斯在這種理論剛出現(xiàn)不久，就對它進行了批判，指出導(dǎo)致熱寂說錯誤的一個重要原因是克勞修斯贊同“能消失了，如果不是在量上，那也是在質(zhì)上消失了”?，F(xiàn)代自然科學(xué)證明，宇宙中熱循環(huán)的形式是多種多樣的，各種運動形式都可以互相轉(zhuǎn)化，宇宙間熵的增加和減少的系統(tǒng)都是存在的。 貢獻 作為熱力學(xué)理論的奠基人，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。 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，從而正確地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(dāng)?shù)木徛?，因此人們對于克勞修斯的，研究成果表示了極大的懷疑。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)上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，引入了在單位時間內(nèi)所發(fā)生的碰撞數(shù)和分子運動的自由程兩個概念，并得出了第一個平均自由程的公式。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常快，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給出的結(jié)果，這也就是氣體擴散緩慢的原因?？藙谛匏归_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。 勤奮的天才
由于長時間沉浸在枯燥的科學(xué)研究之中，克勞修斯的性格顯得有些孤僻，但是他為人極其坦誠，從不阿諛奉承，也不自高自大。他把全身心都撲在了科學(xué)研究上，然而一旦有人要他幫助，他都盡力去做，絕不推脫。在克勞修斯成名以后，常常會有人向他請教問題，有的書信求教，有的登門拜訪，他都認真對待。在學(xué)校里，許多學(xué)生都愿意隨克勞修斯學(xué)習(xí)，有些學(xué)生自以為很了不起，往往和他爭論，克勞修斯就會心平氣和地指出其不足之處和值得稱道的地方，從不以勢壓人，反而如朋友一般地進行討論，直到問題的解決。 克勞修斯生前曾得到過許多的榮譽，也獲得過無數(shù)的獎賞，還被不少科學(xué)團體選為名譽成員。1879年，他榮獲了著名的英國皇家學(xué)會科普利獎?wù)隆?/p> 克勞修斯的一生成就斐然，他提出了熱力學(xué)第二定律和熵的概念，成為熱力學(xué)理論的奠基人；他還計算得出了分子運動速度，并揭示出分子運動速度和氣體擴散兩者快慢不一的原因，從而成為分子運動論的奠基者之一。此外，他還創(chuàng)立了電解分離理論，開創(chuàng)了統(tǒng)計物理學(xué)這一嶄新的學(xué)科?？藙谛匏乖谌祟惪茖W(xué)史上功績卓著，但是，科學(xué)家的所有研究并非都是正確的，克勞修斯提出的“熱寂說”就被證明是錯誤的。 |
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