Rudolf Clausius

Rudolf Clausius

Rudolf Clausius

Schmelzendes Eis in einem warmen Raum ist ein einfaches Beispiel für die Erhöhung der Entropie (Erstmals von Rudolf Clausius 1862 beschrieben).

Rudolf Julius Emanuel Clausius (* 2. Januar 1822 in Köslin; † 24. August 1888 in Bonn) war ein deutscher Physiker.

Clausius gilt als Entdecker des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, Schöpfer der Begriffe Entropie und Virial, sowie einer der ersten theoretischen Physiker in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Er war Zeitgenosse von Helmholtz, Joule, Kirchhoff, Kelvin, Loschmidt, Boltzmann und Maxwell.

Leben

Als Sohn eines Schulrats und Pfarrers studierte Clausius nach Abschluss des Gymnasiums in Stettin ab 1840 in Berlin Mathematik und Physik, unter anderem bei Heinrich Gustav Magnus, Peter Gustav Lejeune Dirichlet, Jakob Steiner sowie Geschichte bei Leopold von Ranke. 1847 promovierte er in Halle bei Johann Salomo Christoph Schweigger über optische Effekte in der Erdatmosphäre zum Doktor der Philosophie. Bis 1850 war er anschließend am Friedrichwerderschen Gymnasium in Berlin als Lehrer für Physik und Mathematik tätig. Er wurde dann Professor für Physik an der Königlichen Artillerie- und Ingenieurschule in Berlin und Privatdozent an der Berliner Universität. 1855 ging er an die neu eingerichtete Eidgenössische Technische Hochschule nach Zürich, 1867 wechselte er nach Würzburg und dann 1869 bis zu seinem Lebensende nach Bonn.

Als Anführer eines studentischen Sanitätskorps wurde er 1870 im Deutsch-Französischen Krieg verwundet, was bleibende Schmerzen am Knie verursachte.

Seine erste Frau starb bei der Geburt des sechsten Kindes im Jahr 1875. Tochter Mathilde, die ihm seitdem den Haushalt führte und die Erziehung der Geschwister übernommen hatte, heiratete 1882 den Theologen Friedrich Zimmer . Zwei Jahre vor seinem Tod heiratete Clausius nochmals.

Werk

Nach der Entdeckung des Energieerhaltungssatzes (1. Hauptsatz der Thermodynamik) durch Mayer, Joule und Helmholtz musste eine neue Wärmelehre gefunden werden, zumal Thomson (später Lord Kelvin) deutlich gezeigt hatte, dass zwischen Carnots Prozess und der Energieerhaltung ein Widerspruch bestand. Dieser Aufgabe widmete sich Clausius, indem er die Fähigkeit der Wärme, sich in Arbeit umzuwandeln, einer eingehenden Untersuchung unterwarf (1850). Er erfasste dabei erstmals den 2. Hauptsatz der Wärmelehre, der besagt, dass Wärme nicht ohne sonstige Veränderungen von einem kalten auf einen wärmeren Körper übergeht und damit auch die Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile der 2. Art. 1865 führte Clausius den Begriff der Entropie ein. Dafür wurde auch die inzwischen veraltete Einheit Clausius verwendet.

Clausius’ erste naturwissenschaftliche Arbeit behandelt Themen der meteorologischen Optik, so z.B. die Entstehung von Regenbögen oder das Phänomen des blauen Himmels. Seine berühmte Abhandlung „Über die bewegende Kraft der Wärme“ im Jahre 1850 ermöglichte es ihm schließlich, an der Königlichen Artillerie- und Ingenieurschule und zugleich als Privatdozent an der Berliner Universität zu lehren – seine wissenschaftliche Karriere beginnt.

Clausius’ Name wird zunächst unmittelbar mit der Clausius-Clapeyron-Gleichung in Verbindung gebracht, mit deren Hilfe sich aus der Verdampfungsenthalpie, Temperatur und Volumenzunahme die Dampfdruckkurve im Zwei-Phasen-Diagramm eines Stoffes ermitteln lässt. Durch den Clausius-Rankine-Prozess, den klassischen Wasser-Dampf-Prozess zur Erzeugung von mechanischer Energie bzw. Strom aus chemisch gebundener Wärme, ist er darüber hinaus in der Energietechnik bekannt. Heute weit weniger geläufig ist, dass er grundlegende Arbeiten zur kinetischen Gastheorie und elektrolytischen Dissoziation geliefert hat. 1857 verfeinerte er August Karl Krönigs sehr einfaches gaskinetisches Modell, das dieser ein Jahr zuvor aufgestellt hat, und führt den Begriff der „mittleren freien Weglänge“ eines Gasmoleküls ein. Seine auch ins Englische übersetzten Arbeiten dazu veranlassten James Clerk Maxwell und später Ludwig Boltzmann zu entscheidenden Entdeckungen, die die kinetische Gastheorie maßgeblich begründetenen. Zudem arbeitete Clausius auch an einer Elektrodynamik bewegter Körper, die erst durch Einsteins Arbeit 1905 ihre Lösung gefunden hat. Clausius nutzte die Ableitungen von Maxwell zur Bestimmung der molaren Refraktion eines Stoffes (Clausius-Mosottische-Gleichung). Dieses Verfahren diente der Überprüfung der Struktur eines organischen Stoffes. Aus der Brechungszahl und der molaren Masse können die Strukturen (funktionelle Gruppen, Bindungen) von organischen Molekülen verglichen werden.

Im Jahre 1850 begann Clausius sich mit dem Fachgebiet zu beschäftigen, dem er seinen größten Ruhm verdankt: der mechanischen Wärmetheorie (Thermodynamik). Clausius nahm das von Sadi Carnot bereits 1824 vorgedachte und schließlich 1842 von Julius Robert Mayer postulierte Prinzip der Energieerhaltung als ersten Hauptsatz der Thermodynamik in seine Theorie auf und gab ihm die erste quantitative Formulierung, indem er 1850 eine Beziehung zwischen der Wärmemenge Q, Arbeit W und innerer Energie U aufstellte (dU = dQ + dW). Im Unterschied zur bis dahin vorherrschenden Meinung erkannte er, dass Wärme kein unveränderlicher Stoff ist, sondern nur eine Form von Energie darstellt, die sich in die bekannten anderen Formen (Bewegungsenergie usw.) umwandeln lässt.

Das Energieerhaltungsprinzip erklärt allerdings noch nicht die geläufige Tatsache, dass Energiewandlung nicht in beliebiger Richtung stattfindet: warum beispielsweise zwei unterschiedlich warme Körper bei Kontakt ihre Temperaturen angleichen, jedoch nie Wärme von selbst vom kälteren auf den wärmeren Körper übergeht. Schon Carnot hatte diese Tatsache klar ausgesprochen, jedoch erst Clausius erkennt dahinter einen Energiefluss und nicht ein an einen Wärmestoff gebundenes Phänomen. 1850 bezeichnete er diese Erfahrung als den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die Feststellung, dass Energieumwandlungen unumkehrbar in eine Richtung laufen, ist nicht mehr mit der klassisch-mechanischen Physik vereinbar, deren linearen Gesetzmäßigkeiten entsprechend jeglicher Prozess rückverfolgbar und umkehrbar (reversibel) ist (Poincarés Wiederkehrsatz).

Ausgangspunkt der Betrachtungen Carnots wie auch Clausius’ war die Arbeitsweise von Dampfmaschinen. Bereits 1824 hatte Carnot festgestellt, dass Wärme nicht vollständig in mechanische Arbeit wandelbar ist, da dazu nicht nur eine Wärmequelle (Feuerraum mit Dampferzeuger), sondern auch eine Wärmesenke (Kühler zur Dampfkondensation) benötigt wird, in der ein Teil der Wärme für die Umwandlung in Arbeit verloren geht. Jeder Wärmekraft-Prozess erfordert zwei Wärmereservoire unterschiedlicher Temperaturen, aus denen jeweils Wärme zu- und abgeführt wird. Unter idealisierten, d. h. reversiblen Bedingungen sind die Verhältnisse von zu- bzw. abgeführter Wärmemenge zu den jeweiligen Temperaturen, bei denen die Wärmeübergänge stattfinden, gleich. In diesem Fall kann aus dem Kreisprozess eine größtmögliche Menge mechanischer Energie, z. B. zur Stromerzeugung, gewonnen werden. In realen Wärmekraftprozessen ist dies allerdings nicht der Fall. Je größer der Unterschied zwischen diesen Verhältnissen, desto weniger Nutzarbeit (Exergie) lässt sich aus der Wärmeenergie gewinnen.

Die Änderung der auf die Wärmeübergangstemperatur bezogenen Wärmemenge in einem thermodynamischen Prozess ist also ein Maß für die Umwandelbarkeit von Wärme und technischer Arbeit und damit für die Güte des Prozesses (dS = dQ / T). Diesen „Äquivalenzwert der Verwandlung“ nennt Clausius später „Entropie“ (aus dem Altgriechischen: entrepein = umwandeln und tropé = Wandlungspotenzial). Helmholtz wird 1882 Clausius’ Entropiegesetz anschaulicher über die innere Energie eines Systems definieren: Die maximal verwendbare, freie Energie in einem isolierten System ist stets kleiner als die tatsächlich vorhandene, innere Energie. Obwohl die innere Energie des Systems bei der Umwandlung in Nutzarbeit erhalten bleibt (1. Hauptsatz), wird sie entwertet (Degradation), da auch immer ein Teil in der Systemumgebung zerstreut (dissipiert) wird. Somit lässt sich der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auch wie folgt formulieren: Eine Energiewandlung läuft niemals von alleine von einem Zustand niedriger Güte zu einem Zustand hoher Güte; die Entropie nimmt stets zu. Im Wärme-Kraft-Prozess muss durch Wärmezufuhr von außen (Feuerung) das Prozessmedium Wasser energetisch „veredelt“ werden, indem Wasserdampf unter hohem Druck und Temperatur entsteht, bevor es im Zylinder der Dampfmaschine bzw. in der Turbine Arbeit zur Stromerzeugung leisten kann. Die Energie des abgearbeiteten Dampfes ist wertlos und muss über den Kühler in die Umgebung abgegeben werden. Selbst unter idealen Bedingungen wäre die Produktion von dissipierter Energie, wie der Abwärme, unvermeidbar.

Wegen der zentralen Bedeutung der Kenntnisse von Clausius für den klassischen Wärmkraftwerkprozess (Rankine-Prozess) wird dieser auch Clausius-Rankine-Prozess genannt.

1870 gab Clausius den Virialsatz an, der eine Beziehung zwischen dem zeitlichen Mittelwert der kinetischen Energie und dem zeitlichen Mittel der potentiellen Energie eines abgeschlossenen stationären physikalischen Systems ist. Er hat somit Beziehung zur Mechanik und zu einem abgeschlossenen thermodynamischen System.

„Die Bedeutung der thermodynamischen Sätze für unsere Naturerkenntnis hat Helmholtz gelegentlich dadurch gekennzeichnet, dass er sie als ‚Weltgesetze‘ bezeichnete, offenbar um damit auszudrücken [...], dass man sie unbedenklich selbst auf das ganze Universum anwenden kann“, so Walther Nernst 1922, aus eines Gedenkanlasses zum 100. Geburtstag von Clausius in der Bonner Universität.

Ehrungen und Mitgliedschaften (Auswahl)

• 1879: Copleymedaille
• 1880: Auswärtiges Mitglied der Accademia Nazionale dei Lincei in Rom
• 1880: Mitglied der Leopoldina
• 1882: Ehrendoktorwürde der Medizin der Universität Würzburg
• 1888: Orden Pour le Mérite für Wissenschaft und Kunst

In Zürich wurde 1895 die Clausisusstrasse und der Clausiussteig, unweit der ETH Zürich, nach ihm benannt. 1935 wurde der Mondkrater Clausius nach ihm benannt. Seit 2009 erinnert in seiner Heimatstadt Köslin ein Gedenkstein an ihn.

Siehe auch

• Clausius-Mossotti-Gleichung

Schriften

• Ueber die bewegende Kraft der Waerme und die Gesetze, welche sich daraus fuer die Waermelehre selbst ableiten lassen. Repr. nach dem 1., unveraend. Abdr. (Planck, Max [Hrsg.]) 1921, Leipzig, (Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften), 1982, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig
• Über die Anwendung der mechanischen Wärmetheorie auf die Dampfmaschine. In: Annalen der Physik und Chemie, Reihe 4, 97 (1856), S. 441–476, 513–558. (Digitalisat und Volltext im Deutschen Textarchiv)
• Die Potentialfunction und das Potential, Verlag von Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1859
• Mechanische Wärmetheorie I, Vieweg, Braunschweig 1864.
• Mechanische Wärmetheorie II, Vieweg, Braunschweig 1867.
• Ueber einen auf die Wärme anwendbaren mechanischen Satz. 1870.

Literatur

• Max von Laue: Clausius, Rudolf Julius Emanuel. In: Neue Deutsche Biographie (NDB). Band 3, Duncker & Humblot, Berlin 1957, S. 276–278 (Onlinefassung).
• Walther Nernst: Rudolf Clausius, geb. 2. Januar 1822, gest. 24. August 1888, 1869 - 1888 Professor der Physik an der Universität Bonn: Rede, gehalten am 24. Juni 1922. Röhrscheid, Bonn 1922.

Weblinks

 Commons: Rudolf Clausius – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Biographie auf der School of Mathematics and Statistics University of St Andrews, Scotland (engl.)
• Literatur von und über Rudolf Clausius im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Artikel von/über Rudolf Clausius im Polytechnischen Journal
• Übersicht der Lehrveranstaltungen von Rudolf Clausius an der Universität Leipzig (W bis S)