Clausius, Rudolf Julius Emanuel Kimdir? Hayatı ve Eserleri: (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 Köslın 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 istihkâm Okulu’na fizik öğretmeni olarak atandı. Aynı yıl
Berlin Üniversitesi’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, iki yıl sonra bu görevine ek
olarak Zürih Üniversitesi’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
erişilemeyeceğini 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 Abbarıdlugcn über die mecbanische
Wârmetbeorie (“Mekanik Isı Kuramı
Üzerine Yazılar”) adı altında toplayarak yayımladı. 1867’de Würzburg
Üniversitesi’nde h/.ik profesörlüğüne atandı. İki yıl sonra da Bonn
Üniversitesine 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
zıc’eite Haupt- satz der Warmetheorie (“Isı Kuramının İkinci İlkesi”) 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 var olan ısının o maddenin durumuna bağlı olduğu
ilkelerine dayanıyordu. Basit, homojen bir maddenin durumu termodinamikte
basınç, hacım 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 eş ısılı genleşmesindeki basınç-hacim bağıntısını
veren Poısson formülü) elde edilmesini sağlayan özellik kaloriğin bir durum
fonksiyonu olmasıydı. Bu nedenle kalorik kuramı ısıyı ikıve ayırıyordu: bir
termometre ile ölçülebilen serbest ısı ve maddenin moleküllerine bağlı olan (ve
bu nedenle durum fonksiyonu halını alan) gizil ısı. Ancak Jouie 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. Av rica serbest ve gizil ısı diye
iki çeşit ısı d a olamazdı; aynı büyüklüğe (iş-enerji) eşdeğer olan iki ayrı
büyüklüğün eşdeğer olması gerekirdi.
Clausius’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 iki şekilde olabilirdi: çevredeki basınca karşı yapılan dış iş ile
moleküller arası iç kuvvetlere karşı yapılan iç iş. Enerji korunumuna göre,
maddeye kazandırılan bir miktar ısı Q, maddenin yaptığı dış iş olan V ile, iç
iş olan U’nun toplamına eşitti. Clausius iç işi maddenin toplanı iç enerjisini
veren bir durum fonksiyonu olarak yorumlayarak termodinamiğin birinci yasasına
son şeklini vermiş oldu. 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 eş ısılı
genişleme formülünü türetebilmek için moleküller arası kuvvetlerin ihmal
edilebildiği bir ideal gaz modeli oluşturarak, bu model yardımı ile iç enerji
fonksiyonu U’nun sabit hacimdeki öz ısıya ve bu nedenle de yalnızca sıcaklığa
bağlı olduğunu gösterdi.
Yalnızca
sıcaklığa bağlı bir fonksiyon kavramı kalorik kuramının da temelini
oluşturuyordu. İdeal 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 ismin 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 eşdeğerliği” adını
verdi. 1865’te
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 bilimim kurdu. Avrıca moleküllerin yalnızca öteleme hareketlerinin
dikkate alınmasının yetmediğini, dönme ve titreme hareketlerinin de dikkate
alınması gerektiğini 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 sanıp olmaları
buharlaşmayı da açıklıyordu. Diğerlerine oranla dalın hızlı moleküller
buharlaşma sırasında sıvı yüzeyini terk edebiliyorlardı. Bu nedenle geriye
kalan sıvı soğuyordu.
Clausius’un kinetik kuramım 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 hır 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, hu 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. Moleküller arası 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 Boitzmann’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.
Clausius,
Rudolf Julius Emanuel Eserleri:
- Potansiyel Kuramı ve Potansiyel, 1859
- Mekanik Isı Kuramı, 1876
Kaynak: Türk ve Dünya Ünlüleri
Ansiklopedisi, Cilt 26, Anadolu yayıncılık.
Yorumlar kapalı.