CLAUSIUS, Rudolf Julius Emanuel (1822-1888)
Alman, teorik fizikçi. Termodinamik biliminin öncülerindendir. Entropi kavramını geliştirmiş, gazların kinetik kuramı konusunda da önemli katkılarda bulunmuştur.
Rudolf Julius Emanuel Clausius 2 Ocak 1822’de Pomeranya’nın Köslin kentinde (bugün Polonya’da Koszalin) doğdu. 24 Ağustos 1888’de Bonn’da öldü. Ailesinin on sekiz çocuğundan akıncısı idi. Clausius ilköğrenimini Protestan papazı olan babasının kurduğu ve müdürlüğünü yaptığı okulda gördü. Ortaöğrenimini Stettins Lisesi’nde tamamladıktan sonra Berlin Üniversitesi’ne girdi. 1844’te fizik-matematik öğretmenliği dalında sertifika alarak mezun olduktan sonra, Berlin’de Friedrich Werder Lisesi’nde altı yıl süreyle fizik öğretmeni olarak görev yaptı. Bu görevi sırasında Halle Üniversitesi’nde doktora çalışmalarını tamamladı. Tezinde, gökyüzünün mavi ve günbatımının kırmızı renginin nedenlerini inceledi.
1850’de ısı kuramı ile ilgili ilk önemli makalesini yazması üzerine Berlin’deki Kraliyet Topçuluk ve İstihkâm Okulu’na fizik öğretmeni olarak atandı. Aynı yıl Berlin Universitesi’nde doçentlik unvanını aldı. 1854’te yayımladığı bir makale ile Carnot teoremini genelleştirdi. 1855’te Zürih’te kurulan İsviçre Federal Politeknik Enstitüsü’nde profesörlüğe atandı. İki yıl sonra bu görevine ek olarak Zürih Universitesi’nde fizik profesörlüğüne getirildi. Zürih’ te geçirdiği 12 yıllık süre içerisinde gazların kinetik teorisi ve ısı iletimi ile ilgili önemli çalışmalar yaptı. Mutlak sıfır derecesine sonlu bir süreçle erişilemeye-ceğini gösterdi. 1865’te en önemli çalışmasını gerçekleştirerek entropi kavramını geliştirdi, böylece termodinamiğin iki yasasının tanımını sonuçlandırdı. 1850’de tanımladığı iç enerjinin korunması birinci yasayı, 1865’te tanımladığı, entropinin sürekli artması ise ikinci yasayı oluşturuyordu. 1864’te o zamana değin yazmış olduğu makaleleri Abhandlugen über die mechanische Wdrmetheorie (“Mekanik Isı Kuramı Üzerine Yazılar”) adı altında toplayarak yayımladı. 1867’de Würzburg Üniversitesi’nde fizik profesörlüğüne atandı. İki yıl sonra da Bonn Üniversitesi’ne geçti. Yaşamının sonuna değin Bonn’da kalan Clausius, bir süre bu üniversitenin rektörlüğünü de üstlendi.
Clausius 1870’te Fransa-Prusya Savaşı sırasında öğrencilerinden kurduğu bir gönüllü sıhhiye birliğini yönetirken yaralandı. Aynı yıl “Virial” teoremini ispatladı. 1867’de de yayımladığı Der zweite Hauptsatz der Wdrmetbeorie (“Isı Kuramının ikinci ilkesi”) uzun yıllar termodinamik üzerine standart kaynak niteliğini korudu. Bu yıllarda birçok fahri doktora ve başta Royal Society’nin Copley Madalyası da olmak üzere çeşitli ödüller aldı.
Clausius’un termodinamiğe ilk önemli katkısı kalorik kuramını reddederek iş ile ısının eşdeğerliğini kabul etmesiydi. Kalorik kuramı, evrendeki toplam ısının korunduğu ve bir maddede varolan ısının o maddenin durumuna bağlı olduğu ilkelerine dayanıyordu. Basit, homojen bir maddenin durumu termodinamikte basınç, hacim ve sıcaklık değişkenlerinden ikisi ile verilir. Bu şekilde tanımlanan tüm özelliklere durum fonksiyonu denilir; bu fonksiyonların matematiksel incelemesinden bazı genel sonuçlar elde edilebilir. İşte kalorik kuramından birtakım sonuçlar (örneğin buharlaşma basıncının ısı ile olan ilgisini veren Clapeyron formülü, gazların eşısılı genleşmesindeki basmç-hacim bağıntısını veren Poisson formülü) elde edilmesini sağlayan özellik kaloriğin bir durum fonksiyonu olmasıydı. Bu nedenle kalorik kuramı ısıyı ikiye ayırıyordu: bir termometre ile ölçülebilen serbest ısı ve maddenin moleküllerine bağlı olan (ve bu nedenle durum fonksiyonu halim alan) gizil ısı. Ancak Joule ve Mayer ısı ile işin eşdeğerliğini bulunca (termodinamiğin birinci yasası) kalorik kuramının dayandığı her iki iletkenin temeli sarsılmıştı. Evrendeki toplam ısı sabit değildi; işi ısıya çevirerek evrendeki ısıyı artırmak olanaklıydı. Isı bir durum fonksiyonu olamazdı, çünkü eşdeğer olduğu iş yola bağlı bir fonksiyondu. Ayrıca serbest ve gizil ısı diye iki çeşit ısı da olamazdı; aynı büyüklüğe (iş-enerji) eşdeğer olan iki ayrı büyüklüğün eşdeğer olması gerekirdi.
Clausıus’un 1850’de getirdiği yenilik ısı olarak yalnızca serbest ısının var olduğunu, bu ısının sıcaklığı belirlediğini ve maddedeki temel parçacıkların (atom/molekül) kinetik enerjisi olarak anlaşılması gerektiğini ortaya atmak oldu. Gizil ısı işe çevrilerek yok olan, dolayısıyla artık mevcut olmayan ısıydı. Isının işe çevrilmesi ıkı şekilde olabilirdi: çevredeki basınca karşı yapılan dış iş ile, moleküller arası iç kuvvetlere karşı yapılan ıç ış. Enerji korunumuna göre, maddeye kazandırılan bir miktar ısı Q, maddenin yaptığı dış iş olan W ile, iç iş olan U’nun toplamına eşitti. Clausius iç işi maddenin toplam iç enerjisini veren bir durum fonksiyonu olarak yorumlayarak termodinamiğin birinci yasasına son şeklini vermiş oldu.
Isı ve iş
Isı ve iş arasındaki farkın bir durum fonksiyonu olduğunu Kelvin de gözlemişti. Ancak Clausius U fonksiyonunu tanımlamakla yetinmedi, Carnot çevrimini dikkatle inceleyerek Carnot’un kalorik kuramı ile bulduğu sonuçları yeni oluşturduğu kuramsal çerçeveye oturttu. Poisson’un eşısılı genişleme formülünü türetebilmek için moleküllerarası kuvvetlerin ihmal edilebildiği bir ideal gaz modeli oluşturarak, bu model yardımı ile iç enerji fonksiyonu U’nun sabit hacimdeki özısıya ve bu nedenle de yalnızca sıcaklığa bağlı olduğunu gösterdi.
Yalnızca sıcaklığa bağlı bir fonksiyon kavramı kalorik kuramının da temelini oluşturuyordu, ideal verimin yalnızca sıcaklığa bağlı olduğunu belirten Carnot teoreminin kanıtı kalorik kavramına, yani ısının korunduğuna ve işin yoktan var edilemeyeceğine dayanıyordu. Ancak, ısı ve işin birbirlerine dönüştürülebildiği gerçeğinin ışığında bu kanıt geçerliliğini yitiriyordu. Clausius, Carnot ve Clapeyron’un kanıtının yeniden geçerli olması için ısının kendi kendine soğuk bir yerden sıcak bir yere gidemeyeceği prensibinin genel bir prensip olarak kabul edilmesi gerektiğini gösterdi; birinci yasanın izin verdiği enerji dönüşümlerinin gerçekleşmesi için enerji dönüşümlerinin yönünü belirleyen ikinci bir yasaya da gerek vardı. Clausius 1854’te bu prensibe “dönüşüm eşde-ğerliği” adını verdi, 1865’tc de entropi kavramını ortaya attı. Carnot teoremi bu genel prensibin özel durumuydu.
Clausius, Poisson formülü ile ilgili çalışmalarını daha yakından inceleyerek iç ısıyı moleküllerin kinetik enerjisi olarak yorumladı. Böylece gazların kinetik kuramı bilimini kurdu. Ayrıca, moleküllerin yalnızca öteleme hareketlerinin dikkate alınmasının yetmediğini, dönme ve titreme hareketlerinin de dikkate alınması gerektiğim vurguladı. Bu yapılmadığı takdirde gazların özgül ısıları için bulunan sonuçlar deney sonuçlarına uymuyordu. Moleküllerin tümünün aynı hızda olmaması gerektiğini de ilk kez Clausius ortaya attı. Bunun nedeni, çarpışmalar sırasında öteleme enerjisi ile dönme enerjisinin birbirine dönüşmesiydi. Tüm moleküllerin aynı hızda olmayıp, bir hız dağılımına sahip olmaları buharlaşmayı da açıklıyordu. Diğerlerine oranla daha hızlı moleküller buharlaşma
sırasında sıvı yüzeyini terkedebiliyorlardı. Bu nedenle geriye kalan sıvı soğuyordu.
Clausius’un kinetik kuramını Maxwell takdirle karşıladı; Boltzmann ile birlikte klasik kinetik kuramına son biçimini verdi. Ancak kinetik kuramına önemli bir tepki, bu kurama göre hesaplanan molekül hızlarının yüksekliği ve buna karşın gazlarda gözlenen yayınım olayının yavaşlığından kaynaklandı. Bu denli hızlı moleküllerin bulunduğu bir ortamda yayınımın daha çabuk olması gerektiğini öne süren görüşe karşı Clausius, moleküllerin sık sık birbirleriyle çarpışarak yön değiştirdiklerini, bir molekülün saniyede yaklaşık bir milyar kez çarpıştığını, bu nedenle iki çarpışma arasındaki ortalama mesafenin milimetrenin binde biri olduğunu gösterdi. Moleküllerin, yüksek hızlarına karşın sık sık çarpışmaları yüzünden birbirlerinden çok uzaklaşamamaları, yayınımın yavaşlığını açıklıyordu. Clausius, bu çalışmaları sırasında Maxwell ile birlikte moleküllerin hız dağılımı konusunda önemli sonuçlar elde etti.
Clausius 1865’te entropi kavramını ortaya attıktan sonra bu kavramı da mikroskopik bir düzeyde açıklayarak mekanik bir yorum vermeye çalıştı. Bu amaçla 1870’te Virial kuramı adı ile bilinen sonucu elde etti. Moleküllerarası etkileşmenin önemli olduğu gerçek gazlar için durum denklemi bu teorem yardımı ile hesaplanır. Clausius bu teoremden yararlanarak moleküllerin kinetik enerjisi ile ısıya çevrilen enerji arasında logaritmik bir bağıntı bulunmasına karşın, entropinin mikroskopik tanımı konusunda bundan öte bir çalışma yapmadı. Bu çalışmayı gerçekleştirmek Boltzmann ve diğerlerine kaldı.
Entropi kavramı ve evrende entropi artışı, Clausius’un en önemli katkıları arasındadır. Çağdaşlarının bu konudaki çalışmalarını, örneğin Boltzmann’ın termodinamikle olasılık kuramı arasındaki bağıntı ile ilgili sonuçlarını, ya da Gibbs’in kimyasal denge ile ilgili termodinamik çalışmalarını yeterince dikkate almaması ve ikinci yasanın mikroskopik düzeyde yorumu ile yeterince ilgilenmemesi çalışmalarındaki eksikliklerdir. Yine de fiziksel olayları algılaması, karmaşık matematiksel analizi en az düzeyde tutarak önemli sonuçlara varması, Clausius’un 19. yy’ın en özgün teorik fizikçilerinden biri olmasını sağlamıştır. Clausius olayları incelerken önce temel bilgi ve formülleri iyice anlamış, ardından mikroskopik bir model üretmiş, en sonunda bu çalışmalarını matematiksel bir temele oturtmuştur.
• YAPITLAR (başlıca): Die Poteritialtbeoı le und das Po-tential, 1859, (“Potansiyel Kuramı ve Potansiyel”); Der zweite Hauptsatz der Wdrmetheorie, 3 cilt, 1876-1891, (“Mekanik Isı Kuramı”).
• KAYNAKLAR: E.Riecke, Rudolf Clausius, 1889; F.Ro-senberger, Die Ceschichte der Physik, 3. cilt, 1890.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi