克勞修斯-省賽獲獎(jiǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)

克勞修斯魯?shù)婪颉び壤麨跛埂ぐｑR努埃爾·克勞修斯（RudolfJuliusEmanuelClausius，1822年1月2日－1888年8月24日），德國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一[1]。他重新陳述了尼古拉·卡諾的定律（又被稱為卡諾循環(huán)），把熱理論推至一個(gè)更真實(shí)更健全的基礎(chǔ)。他最重要的論文于1850年發(fā)表，該論文是關(guān)于熱的力學(xué)理論的，其中首次明確指出熱力學(xué)第二定律的基本概念。他還于1855年引進(jìn)了熵的概念。學(xué)術(shù)造詣他最重要的論文于1850年發(fā)表，該論文是關(guān)于熱的力學(xué)理論的，其中首次明確指出熱力學(xué)第二定律的基本概念。他還于1865年引進(jìn)了熵的概念。主要經(jīng)歷1822年1月2日生于普魯士的克斯林（今波蘭科沙林）的一個(gè)知識(shí)分子家庭。曾就學(xué)于柏林大學(xué)。1847年在哈雷大學(xué)主修數(shù)學(xué)和物理學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位。從1850年起，曾先后任柏林炮兵工程學(xué)院、蘇黎世工業(yè)大學(xué)、維爾茨堡大學(xué)、波恩大學(xué)物理學(xué)教授。他曾被法國(guó)科學(xué)院、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和彼得堡科學(xué)院選為院士或會(huì)員。）因發(fā)表論文《論熱的動(dòng)力以及由此導(dǎo)出的關(guān)于熱本身的諸定律》而聞名。1855年任蘇黎世工業(yè)大學(xué)教授，1867年任德意志帝國(guó)維爾茨堡大學(xué)教授，1869年起任波恩大學(xué)教授。生平克勞修斯生于波美拉尼亞省的克斯林市，在他父親的學(xué)校開(kāi)始接受教育。幾年之后，他去了什切青市就讀文理中學(xué)，1844年從柏林大學(xué)畢業(yè)，他在大學(xué)學(xué)習(xí)的是數(shù)學(xué)和物理，同學(xué)中有海因里希·馬格努斯（HeinrichMagnus）、約翰·彼得·狄利克雷及雅各·施泰納（JakobSteiner），也跟蘭克學(xué)習(xí)過(guò)歷史。1847年，他完成對(duì)地球大氣的光學(xué)研究從哈雷大學(xué)取得了博士學(xué)位，之后當(dāng)上了德國(guó)皇家炮兵工科學(xué)院的物理學(xué)教授及柏林大學(xué)的無(wú)俸講師。1855年至1867年在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院擔(dān)任教授，其后移居至維爾茨堡，兩年后的1869年又移居波恩。1870年克勞修斯在普法戰(zhàn)爭(zhēng)中組織了一支救傷隊(duì)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中受了傷，持久傷殘，因此被授予鐵十字勛章。他的妻子阿德萊德·麗姆普蘭姆（AdelheidRimpham）于1875年難產(chǎn)而死，留下他獨(dú)力撫養(yǎng)六個(gè)孩子。但他仍繼續(xù)教學(xué)，只是從此研究時(shí)間就少了。克勞修斯于波恩去世。研究克勞修斯在他關(guān)于光折射的博士論文中提出，我們白天看見(jiàn)藍(lán)天空，日出及日落時(shí)看見(jiàn)各種紅天空（以及其他一些現(xiàn)象），都是由光的折射和反射導(dǎo)致的。以后，瑞利勛爵提出這其實(shí)是由光的散射所導(dǎo)致的，但無(wú)論如何，克勞修斯所采取的研究方法比之前的相關(guān)研究要數(shù)學(xué)化得多。他最有名的論文《論熱的移動(dòng)力及可能由此得出的熱定律》（ÜberdiebewegendeKraftderWärme）于1850年發(fā)表，其中涉及到熱的力學(xué)理論。在這篇論文中，他提出了卡諾的定律與能量守恒的概念不一致，克勞修斯重新陳述了兩條熱力學(xué)定律以克服這個(gè)矛盾（第三定律由瓦爾特·能斯特于1906年至1912年間發(fā)表）。這篇論文使得他的科學(xué)事業(yè)開(kāi)始起飛。克勞修斯在1857年改進(jìn)了奧古斯特·克羅尼格（AugustKrönig）非常簡(jiǎn)單的氣體運(yùn)動(dòng)模型，引進(jìn)了分子的平移、旋轉(zhuǎn)及振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)分子運(yùn)動(dòng)論領(lǐng)域作出了貢獻(xiàn)。在同一份研究中他還引進(jìn)了一粒子的平均自由徑概念?？藙谛匏箯臒崃W(xué)中推論出克勞修斯-克拉佩龍方程，這個(gè)關(guān)系是一種描述兩態(tài)之間相變的方式，例如固態(tài)及液態(tài)，最初由埃米勒·克拉伯隆于1834年發(fā)表。研究成果編輯熱力學(xué)研究克勞修斯主要從事分子物理、熱力學(xué)、蒸汽機(jī)理論、理論力學(xué)、數(shù)學(xué)等方面的研究，特別是在熱力學(xué)理論、氣體動(dòng)理論方面建樹(shù)卓著。他是歷史上第一個(gè)精確表示熱力學(xué)定律的科學(xué)家。1850年與蘭金（WilliamJohnMa－ZquornRankine，1820～1872）各自獨(dú)立地表述了熱與機(jī)械功的普遍關(guān)系──熱力學(xué)第一定律，并且提出蒸汽機(jī)的理想的熱力學(xué)循環(huán)（蘭金－克勞修斯循環(huán)）。1850年克勞修斯發(fā)表《論熱的動(dòng)力以及由此推出的關(guān)于熱學(xué)本身的諸定律》的論文。他從熱是運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)對(duì)熱機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行了新的研究。論文首先從焦耳確立的熱功當(dāng)量出發(fā)，將熱力學(xué)過(guò)程遵守的能量守恒定律歸結(jié)為熱力學(xué)第一定律，指出在熱機(jī)作功的過(guò)程中一部分熱量被消耗了，另一部分熱量從熱物體傳到了冷物體。這兩部分熱量和所產(chǎn)生的功之間存在關(guān)系：。式中dQ是傳遞給物體的熱量，dW表示所作的功，U是克勞修斯第一次引人熱力學(xué)的一個(gè)新函數(shù)，是體積和溫度的函數(shù)。后來(lái)開(kāi)爾文把U稱為物體的能量，即熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能。論文的第二部分，在卡諾定理的基礎(chǔ)上研究了能量的轉(zhuǎn)換和傳遞方向問(wèn)題，提出了熱力學(xué)第二定律的最著名的表述形式（克勞修斯表述）：熱不能自發(fā)地從較冷的物體傳到較熱的物體。因此克勞修斯是熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)主要奠基人（另一個(gè)是開(kāi)爾文）之一。在發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，人們期望找到一個(gè)物理量，以建立一個(gè)普適的判據(jù)來(lái)判斷自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行方向?？藙谛匏故紫日业搅诉@樣的物理量。1854年他發(fā)表《力學(xué)的熱理論的第二定律的另一種形式》的論文，給出了可逆循環(huán)過(guò)程中熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示形式：，而引入了一個(gè)新的后來(lái)定名為熵的態(tài)參量。1865年他發(fā)表《力學(xué)的熱理論的主要方程之便于應(yīng)用的形式》的論文，把這一新的態(tài)參量正式定名為熵。并將上述積分推廣到更一般的循環(huán)過(guò)程，得出熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表示形式：≤0等號(hào)對(duì)應(yīng)于可逆過(guò)程，不等號(hào)對(duì)應(yīng)于不可逆過(guò)程。這就是著名的克勞修斯不等式。利用熵這個(gè)新函數(shù)，克勞修斯證明了：任何孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)的熵的總和永遠(yuǎn)不會(huì)減少，或者說(shuō)自然界的自發(fā)過(guò)程是朝著熵增加的方向進(jìn)行的。這就是“熵增加原理”，它是利用熵的概念所表述的熱力學(xué)第二定律。后來(lái)克勞修斯不恰當(dāng)?shù)匕褵崃W(xué)第二定律推廣到整個(gè)宇宙，提出所謂“熱寂說(shuō)”。氣體動(dòng)理論研究在氣體動(dòng)理論方面克勞修斯作出了突出的貢獻(xiàn)。克勞修斯、麥克斯韋、玻耳茲曼被稱為氣體動(dòng)理論的三個(gè)主要奠基人。由于他們的一系列工作使氣體動(dòng)理論最終成為定量的系統(tǒng)理論。1857年克勞修斯發(fā)表《論熱運(yùn)動(dòng)形式》的論文，以十分明晰的方式發(fā)展了氣體動(dòng)理論的基本思想。他假定氣體中分子以同樣大小的速度向各個(gè)方向隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)，氣體分子同器壁的碰撞產(chǎn)生了氣體的壓強(qiáng)，第一次推導(dǎo)出著名的理想氣體壓強(qiáng)公式，并由此推證了玻意耳－馬略特定律和蓋·呂薩克定律，初步顯示了氣體動(dòng)理論的成就。而且第一次明確提出了物理學(xué)中的統(tǒng)計(jì)概念，這個(gè)新概念對(duì)統(tǒng)計(jì)力學(xué)的發(fā)展起了開(kāi)拓性的作用。1858年發(fā)表《關(guān)于氣體分子的平均自由程》論文，從分析氣體分子間的相互碰撞入手，引入單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的碰撞次數(shù)和氣體分子的平均自由程的重要概念，解決了根據(jù)理論計(jì)算氣體分子運(yùn)動(dòng)速度很大而氣體擴(kuò)散的傳播速度很慢的矛盾，開(kāi)辟了研究氣體的輸運(yùn)過(guò)程的道路。熱力學(xué)理論熱力學(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(jì)，蒸汽機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，如何進(jìn)一步提高熱機(jī)的效率問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，成了理淪物理研究的重點(diǎn)課題。1824年，卡諾在熱質(zhì)說(shuō)和永動(dòng)機(jī)不可能的基礎(chǔ)上證明了后來(lái)著名的卡諾定理，這不僅推論出了熱機(jī)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(guò)許多科學(xué)家長(zhǎng)期的研究，到19世紀(jì)中葉，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律建立了起來(lái)，這個(gè)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(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?？藙谛匏箯那嗄陼r(shí)代起，就決定對(duì)熱力進(jìn)行理論上的研究，他認(rèn)為一旦在理論上有了突破，那么提高熱機(jī)的效率問(wèn)題就可以迎刃而解。有了明確目標(biāo)，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(jiān)實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)，才能在今后的研究道路上有所建樹(shù)。因此，克勞修斯用了近10年時(shí)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)于熱的理淪的論文——《論熱的動(dòng)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(shí)焦耳用實(shí)驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生同樣數(shù)量的熱。按照這個(gè)基本定律，克勞修斯又以理想氣體為例，進(jìn)行進(jìn)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)部的熱量是對(duì)氣體分子運(yùn)動(dòng)論的貢獻(xiàn)作為熱力學(xué)理淪的奠基人，克勞修斯一生的成就遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)論的奠基人。氣體分子理論早在18世紀(jì)，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)氣體是由大量激烈運(yùn)動(dòng)的粒子組成的，氣體的壓力來(lái)自于粒子對(duì)器壁的碰撞。到了19世紀(jì)50年代，克勞修斯等建立了熱力學(xué)理論，并用熱的運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)作為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行分子運(yùn)動(dòng)研究，這大大促進(jìn)了分子運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)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(yùn)動(dòng)》，論文內(nèi)容豐富，闡述了多個(gè)有關(guān)分子運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題?？藙谛匏箯臍怏w是運(yùn)動(dòng)分子集合體的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為考察單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)既不可能也毫無(wú)意義，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不是取決于一個(gè)或某些分子的運(yùn)動(dòng)，而是取決于大量分子運(yùn)動(dòng)的平均值。因此，他提出了統(tǒng)計(jì)平均的概念，這是建立分子運(yùn)動(dòng)論的前提。根據(jù)這個(gè)前提，克勞修斯建立了理想氣體分子運(yùn)動(dòng)的模型，并強(qiáng)調(diào)分子的動(dòng)能不僅是它們的直線運(yùn)動(dòng)，而且是分子中原子旋轉(zhuǎn)和振蕩的運(yùn)動(dòng)，從而正確確定了實(shí)際氣體和理想氣體的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，克勞修斯計(jì)算了碰撞器壁的分子數(shù)和相應(yīng)的分子的動(dòng)量變化，并通過(guò)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(qiáng)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(shuō)：三種聚集態(tài)中的分子都在運(yùn)動(dòng)，只是運(yùn)動(dòng)的方式有所差異而已。在1857年的論文中，克勞修斯第一次計(jì)算得到了氧、氮、氫3種氣體分子在冰點(diǎn)時(shí)的速率。然而這個(gè)氣體分子運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每秒數(shù)百米的結(jié)論，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的意料，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，氣體的擴(kuò)散(比如煙霧的彌漫)過(guò)程是相當(dāng)?shù)木徛?，因此人們?duì)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(gè)根據(jù)理論計(jì)算得出的分子運(yùn)動(dòng)速度，與氣體擴(kuò)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(shí)到，自己以前把分子看作數(shù)學(xué)幾何點(diǎn)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人手，把分子的作用范圍作為他依據(jù)的主要概念，引人了在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的碰撞數(shù)和分子運(yùn)動(dòng)的自由程兩個(gè)概念，并得出了第一個(gè)子均自由程的公式。通過(guò)這些全新的研究方法，克勞修斯認(rèn)為，盡管單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速度非常快，但由于分子間的相互碰撞，分子運(yùn)動(dòng)的軌跡十分曲折，就整個(gè)分子的集合體而言，其前進(jìn)的路程就更加漫長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分子運(yùn)動(dòng)速度紿出的結(jié)果，這也就是氣體擴(kuò)散緩慢的原因。克勞修斯開(kāi)創(chuàng)性地解決了氣體擴(kuò)散速度小于分子運(yùn)動(dòng)速度之間的矛盾，終于打消了人們心頭的疑慮，使得他們對(duì)于分子運(yùn)動(dòng)論充滿了信心，開(kāi)辟了研究氣體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的道路。熵理論克勞修斯在1867年發(fā)表的論文“AbhandlungenüberdiemechanischeWärmetheorie,ZweiteAbteilung”中，首次為熵概念提供了數(shù)學(xué)版本，并為它命名，他用了現(xiàn)已棄用的熵單位“克勞修斯”（符號(hào)為Cl）。1Cl=1cal