世界100位科学家中的熵概念创造者

熵概念的提出者[德国]克劳修斯(1822～1888)

在19世纪60年代，有人曾十分戏剧性地描绘了世界末日的情景：宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态，它继续发生变化的可能就越小；当它完全达到这个状态时，就不会再出现进一步的变化了，宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。这就是轰动一时的宇宙热寂论。然而不久，宇宙热寂论就被科学证明是错误的。这个错误观点的提出者就是德国科学家克劳修斯，但是由他提出的熵的概念和热力学第二定律却是正确的。

年轻的大学教授

鲁道大克劳修斯(RudolfJuliusEmanuelClausisu)是德国物理学家、热力学奠基人之一。1822年1月2日，克劳修斯出生于现在的波兰科沙林。父亲是个有作为的小学校长。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。在小学里，克劳修斯是个聪明调皮的学生，尤其在数理方面有着与众不同的才能，而他父亲也就有意识地培育他这方面的兴趣和能力。小学毕业后，克劳修斯进入斯德丁中学继续他的学业，随后于1840年顺利考入柏林大学。在大学里，克劳修斯如鱼得水，学习非常努力，而且兴趣广泛。他一度对历史产生了浓厚的兴趣，准备从事历史研究，但又始终放不下对数理科学的钟爱。克劳修斯的父母和老师都积极支持克劳修斯在数理方面发展，认为他有这方面的天赋，克劳修斯自己也觉得真正喜欢的还是数理科学，因此，他最后还是决定选择数理研究作为自己的专攻方向。在柏林大学完成了大学学业以后，克劳修斯又进入哈雷大学，攻读主修数学和物理的哲学博士学位。1847年，克劳修斯获得博士学位，开始在柏林炮兵工程学院任教，担任物理课教师。

1850年，克劳修斯发表了一篇关于热的理论的论文，这是他第一次发表比较有分量的科研文章，但立刻引起了科学界的关注。在文中他提出的观点，后来被认为是热力学的第二定律。柏林炮兵工程学院对这位年轻的小伙子青睐有加，不久便破格聘他担任学校的教授职位，如此年轻便担任教授一职，这在学院还是第一次。但是克劳修斯在炮兵工程学院的任职时间并不长。1859年，他来到苏黎世工业大学，担任物理学教授。苏黎世工业大学给克劳修斯的研究提供了良好的环境。在这里，他全身心地投入到物理学的研究之中。克劳修斯研究的视野非常开阔，成就非凡，尤其在热力学方面，经过近10年的研究，他得出了热力学的克劳修斯不等式，随即提出了熵这一热力学上的重要概念。克劳修斯在苏黎世工业大学前后一共工作了12年，这期问他在科学研究上硕果累累，成为世人公认的大科学家。1869年克劳修斯返回德国，担任维尔茨堡大学教授，两年后，他又移居波恩，担任波恩大学教授，继续从事他的物理科学研究。克劳修斯在波恩大学的研究工作并不顺利，条件也比较艰苦。1870～1871年普法战争全面爆发。克劳修斯带领一个学生救护小组，四处救助伤员，不幸却严重损坏了自己的膝盖，从此长期受到伤痛的折磨，不得不将学生的实验课交给其他老师负责。此后不久，克劳修斯又遭到更为沉重的打击，他的妻子在生第6个孩子时去世，这不但在精神上使克劳修斯备感苍凉，而且从此他不得不把一部分精力从科学研究中分出来，独立承担起照顾家庭的重任。尽管如此，克劳修斯还是在研究中取得了许多新的成就。1888年8月24日，克劳修斯工作到最后一刻黯然去世。

热力学理论的奠基者

克劳修斯一生研究广泛，但最著名的成就是提出了热力学第二定律，成为热力学理论的奠基人之一。

人类科学发展到19世纪，蒸汽机的应用已经十分广泛，如何进一步提高热机的效率问题越来越受到人们的重视，成了理论物理研究的重点课题。1824年，卡诺在热质说和永动机不可能的基础上证明了后来著名的卡诺定理，这不仅推论出了热机效率的最上限，而且也包含了热力学第二定律的若干内容。此后，经过许多科学家长期的研究，到19世纪中叶，能量转化和守恒定律建立了起来，这个物理学中极其重要的普遍规律，很快就成为研究热和其他各种运动形式相互转化的坚实基础。

克劳修斯从青年时代起，就决定对热力进行理论上的研究，他认为一旦在理论上有了突破，那么提高热机的效率问题就可以迎刃而解。有了明确目标，克劳修斯学习异常勤奋，他知道只有在学生阶段打下坚实的数理基础，才能在今后的研究道路上有所建树。因此，克劳修斯用了近10年时间在学校里埋头苦读。有志者事竟成，1850年，克劳修斯发表了第一篇关于热的理论的论文《论热的动力以及由此推出关于热本身的定律》。在论文里，他首先以当时焦耳用实验方法所确立的热功当量为基础，第一次明确提出了热力学第一定律：在一切由热产生功的情况中，必有和所产生的功成正比的热量被消耗掉；反之，消耗同样数量的功，也就会产生同样数量的热。按照这个基本定律，克劳修斯又以理想气体为例，进行进一步的论述，否定了热质理论的基本前提，即宇宙中的热量守恒，物质内部的热量是物质状态函数的观点。

在热力学第一定律的基础上，克劳修斯接着在论文的第二部分，重新论证了卡诺于1824年得出的卡诺定律工作于两个温度问的一切理想热机，有同样多的热量转移而得到同样多的功，且与工作物质无关，在这个循环过程中热量并未消失。克劳修斯经过精密的论证后认为，卡诺定理的基本内容是正确的，但热量的没有消失显然和热功当量相矛盾，因此卡诺在论证过程中所依托的热质守恒是不可信的。克劳修斯指出，根据我们的日常经验，要使热从低温物体传向高温物体，必须要消耗某种动力或者有其他的一些变化。在没有任何形式变化的情况下，热必定是从高温物体向低温物体转移。这一著名的论断就是热力学第二定律的基本内容。

热力学第一、第二定律的确立，标志着热力学基本理论的完成。克劳修斯因提出热力学第二定律而声誉雀起，年纪轻轻就跻身于科学家的行列。但科学道路永无止境，克劳修斯一如既往地在科学道路上长途跋涉。

提出熵的概念

为了进一步推动热的动力学说，克劳修斯把理论和实验结合起来，进行深入的研究。在研究卡诺热机操作循环过程中，他发现热量在减少的同时，却可以看出有一个量在整个循环的过程中自始至终保持不变。如果是在理想过程中的话，那么这个比值是个常数，而且从不会减少。这也就是说，在密闭系统中，系统的热量和系统的绝对温度的比值在任何过程中都是增长的。这个不小的发现使克劳修斯惊喜不已，他隐约感觉到自己的研究又将出现新的突破。于是，他不断地实验，反复地论证，把所有的精力都倾注在这个恒量的研究之中。1854年，克劳修斯把研究的结果以论文的形式予以发表，在文中，他提出了著名的克劳修斯不等式，得出了卡诺热机效率的公式，并推广到任何一个可逆的循环之中。1865年，克劳修斯发表了《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》一文，在文中明确表达了熵的概念。熵是物质的状态函数，即状态一定时，物质的熵值也一定。从分子运动论的观点来看，由于分子的热运动，物质系统的分子要从有序趋向无序，熵变大则表示分子运动无序程度的增加。克劳修斯用大量的理论和事实依据严格证明，一个孤立的系统的熵永远不会减少，此即熵增加原理。(www.xing528.com)

有了熵的概念，热力学第二定律可以从数学上表述为熵增加原理，他揭示了自然界中这样的一个事实：在一个可逆的过程中，系统的熵越大，就越接近平衡状态，虽然此间能量的数量不变，但可供利用或者是转化的能量却是越来越少。克劳修斯用熵的概念来定量地表述热力学的第二定律，为热力学的发展开辟了全新的道路，人们通过这一简洁的定理，对热运动学说有了更为全面的认识。就这样，热力学第一定律阐明了热在转化过程中各种能量总是保持不变的规律，熵增加原理则定量地揭示出宏观过程的方向性和限度，两个定律相互交织，构成了一幅完整的图画，使人们对热现象的能量转化过程的基本特征有了全面的认识。

在1865年的论文末尾，克劳修斯把热力学第一、第二定律扩大到适用于整个宇宙范围，他认为宇宙的能量是个常数，宇宙的熵趋于某一最大值。此后，他在一次讲演中进一步指出：宇宙的熵越接近某一最大的极限值，那么它变化的可能性越小，宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。这就是所谓的热寂说。克劳修斯这个观点显然是错误的。恩格斯在这种理论刚出现不久，就对它进行了批判，指出导致热寂说错误的一个重要原因是克劳修斯赞同能消失了，如果不是在量上，那也是在质上消失了。现代自然科学证明，宇宙中热循环的形式是多种多样的，各种运动形式都可以互相转化，宇宙间熵的增加和减少的系统都是存在的。

对气体分子运动论的贡献

作为热力学理论的奠基人，克劳修斯一生的成就远不止于此，他在许多方面都取得了令人瞩目的研究成果，尤其在气体分子运动论方面，人们也习惯性地把他和麦克斯韦、玻耳兹曼一起称为分子运动论的奠基人。

早在18世纪，科学家们就发现气体是由大量激烈运动的粒子组成的，气体的压力来自于粒子对器壁的碰撞。到了19世纪50年代，克劳修斯等建立了热力学理论，并用热的运动学说作为基础来进行分子运动研究，这大大促进了分子运动学说的发展。1857年，克劳修斯发表了一篇具有奠基性质的论文《论我们称之为热的那种运动》，论文内容丰富，阐述了多个有关分子运动的问题。克劳修斯从气体是运动分子集合体的观点出发，认为考察单个分子的运动既不可能也毫无意义，系统的宏观性质不是取决于一个或某些分子的运动，而是取决于大量分子运动的平均值。因此，他提出了统计平均的概念，这是建立分子运动论的前提。根据这个前提，克劳修斯建立了理想气体分子运动的模型，并强调分子的动能不仅是它们的直线运动，而且是分子中原子旋转和振荡的运动，从而正确地确定了实际气体和理想气体的区别。在此基础上，克劳修斯计算了碰撞器壁的分子数和相应的分子的动量变化，并通过一系列复杂的演算和论证，最终得出了因分子碰撞而施加给器壁的压强公式，从而揭示了气体定律的微观本质。不仅如此，克劳修斯还把目光投向了气体的固态和液态。他论断说：三种聚集态中的分子都在运动，只是运动的方式有所差异而已。

在1857年的论文中，克劳修斯第一次计算得到了氧、氮、氢3种气体分子在冰点时的速率。然而这个气体分子运动速度高达每秒数百米的结论，远远超出了人们的意料，因为在现实生活中，气体的扩散(比如烟雾的弥漫)过程是相当的缓慢，因此人们对于克劳修斯的，研究成果表示了极大的怀疑。如何才能解释这个根据理论计算得出的分子运动速度，与气体扩散现象所显示的速度二者之间的矛盾呢?克劳修斯陷入了新的困惑之中。他意识到，自己以前把分子看作数学上几何点的模型不够确切，必须加以修正。他从分析气体分子间的相互碰撞人手，把分子的作用范围作为他依据的主要概念，引入了在单位时间内所发生的碰撞数和分子运动的自由程两个概念，并得出了第一个平均自由程的公式。通过这些全新的研究方法，克劳修斯认为，尽管单个分子运动的速度非常快，但由于分子间的相互碰撞，分子运动的轨迹十分曲折，就整个分子的集合体而言，其前进的路程就更加漫长，远远小于分子运动速度给出的结果，这也就是气体扩散缓慢的原因。克劳修斯开创性地解决了气体扩散速度小于分子运动速度之间的矛盾，终于打消了人们心头的疑虑，使得他们对于分子运动论充满了信心，开辟了研究气体运动现象的道路。

勤奋的天才

克劳修斯从小就具有数理方面的天赋，在小学和中学阶段，他的成绩总是名列班级前茅，老师和同学都对他另眼相看。然而，真正让师生敬重的不是他的天赋，而是他的勤奋刻苦。克劳修斯学习非常努力，凭他在数理方面的能力，考试得高分根本不成问题，但是他上课仍然十分专心，老师布置的作业总是一丝不苟地很快完成。他把大量的课余时间都用在了课本之外的学习上，广泛阅读各类书籍，特别是在兴趣浓厚的数理方面，自学得非常认真。到了大学和研究生阶段，由于家境清寒，克劳修斯开始考虑如何减轻家庭负担，他不得不一边学习一边兼任家庭补习教师，以此来资助弟妹的生活。半工半读的生活虽十分辛苦，但为了不耽误学习和研究，克劳修斯以超乎异常的毅力要求自己，把因打工而花费的时间用勤奋补回来。在整个读书阶段，他几乎没有休息日，除了工作就是学习、实验，始终没有轻松的时刻。克劳修斯认为，每个人的成功都来自勤奋的工作，而不是依靠他的天赋。在他长达40年的科学研究中，他一直把刻苦钻研、勇于攀登作为自己工作的信条，无论是在获得成功、春风得意的时候，还是在实验受阻、踯蹰不前的日子，他都一如既往地以十足的干劲来对待眼前的一切，孜孜以求，毫不松懈，即使在临死的前夕，惦记的还是他的科学研究。

由于长时间沉浸在枯燥的科学研究之中，克劳修斯的性格显得有些孤僻，但是他为人极其坦诚，从不阿谀奉承，也不自高自大。他把全身心都扑在了科学研究上，然而一旦有人要他帮助，他都尽力去做，绝不推脱。在克劳修斯成名以后，常常会有人向他请教问题，有的书信求教，有的登门拜访，他都认真对待。在学校里，许多学生都愿意随克劳修斯学习，有些学生自以为很了不起，往往和他争论，克劳修斯就会心平气和地指出其不足之处和值得称道的地方，从不以势压人，反而如朋友一般地进行讨论，直到问题的解决。

克劳修斯生前曾得到过许多的荣誉，也获得过无数的奖赏，还被不少科学团体选为名誉成员。1879年，他荣获了著名的英国皇家学会科普利奖章。

克劳修斯的一生成就斐然，他提出了热力学第二定律和熵的概念，成为热力学理论的奠基人；他还计算得出了分子运动速度，并揭示出分子运动速度和气体扩散两者快慢不一的原因，从而成为分子运动论的奠基者之一。此外，他还创立了电解分离理论，开创了统计物理学这一崭新的学科。克劳修斯在人类科学史上功绩卓著，但是，科学家的所有研究并非都是正确的，克劳修斯提出的热寂说就被证明是错误的。