Rudolf Julius Emanuel Clausius

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

Als Sohn eines Schulrats und Pfarrers in Köslin studierte Clausius von 1840-1850 in Berlin, unter anderem bei Magnus, Dirichlet, Steiner sowie Geschichte bei Leopold von Ranke. Er wurde 1850 Professor für Physik in Berlin (Königliche Artillerie- und Ingenieurschule). 1855 ging er an die neu eingerichte Eidgenössische Technische Hochschule nach Zürich, 1867 wechselte er nach Würzburg und dann 1869 bis zu seinem Lebensende nach Bonn. Clausius gilt als Entdecker des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, "Erfinder" der Entropie, sowie einer der ersten theoretischen Physiker in der Mitte des 19. Jahrhunderts (zeitgleich mit Helmholtz, Joule, Kirchhoff, Kelvin und Maxwell).

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 Carnot's Prinzip 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 erstmalig den 2. Hauptsatz der Wärmelehre, dass Wärme nicht ohne sonstige Veränderungen von einem kalten auf einen wärmeren Körper übergeht (Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile der 2. Art). 1865 führte Clausius den Begriff der Entropie ein. Dafür wurde auch die, inzwischen veraltete, Einheit Clausius verwendet.

"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." Walter Nernst 1922, aus Anlass des Gedenkens des 100-jährigen Geburtstages von Clausius in der Bonner Universität.

Rudolf Julius Emanuel Clausius wird am 2. Januar 1822 im pommernschen Köslin als Sohn eines Pastors und Schulrats geboren. Nach Abschluss des Gymnasiums in Stettin beginnt er 1840 in Berlin das Studium der Mathematik und Physik. Während seiner Studien nimmt er eine Hauslehrerstelle an, u. a. um die Ausbildung seiner jüngeren Geschwister zu finanzieren. Sein vielschichtiges Interesse lässt ihn während seiner Studien auch Vorlesungen zur Geschichte hören. 1847 promoviert er in Halle bei Schweigger zum Doktor der Philosophie (über optische Effekte in der Erdatmosphäre). In fortgeschrittenem Alter wird er in Bonn zum Dekan der dortigen philosophischen Fakultät ernannt werden und in Würzburg die Ehrendoktorwürde der Medizin erhalten. Bis 1850 ist er in Berlin als Gymnasiallehrer für Physik und Mathematik tätig. 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 ermöglicht ihm schließlich, an der Königlichen Artillerie- und Ingenieurschule und zugleich als Privatdozent an der Berliner Universität zu lehren - seine wissenschaftliche Karriere beginnt. Fünf Jahre später beruft man ihn bei der Neugründung des eidgenössischen Polytechnikums in Zürich zum Professor für Physik; kurz darauf wird er zugleich Professor an der Universität Zürich. Nach zwölf Jahren folgt er einem Ruf nach Würzburg, um bereits kurze Zeit später, 1869, nach Bonn zu wechseln. Bis zu seinem Tod im Jahre 1888 wird er als Lehrer und Forscher in Bonn tätig bleiben. In dieser Zeit ereilen ihn allerdings schwere persönliche Schicksalsschläge: Ein studentisches Sanitäts-Corps anführend erleidet er 1870 im Französisch-Preußischen Krieg Verwundungen, die ihm bleibende Schmerzen am Knie verursachen. Weitaus tragischer ist jedoch, dass seine erste Frau bei der Geburt des sechsten Kindes im Jahr 1875 stirbt. Zwei Jahre vor seinem Tod wird er schließlich noch einmal heiraten.

Clausius' Name wird zunächst unmittelbar mit der Clausius-Clapeyron-Gleichung in Verbindung gebracht, mit deren Hilfe sich aus gemessenen Werten von Verdampfungsenthalpie, Temperatur und Volumenzunahme die Dampfdruckkurve im Zwei-Phasen­diagramm eines Stoffes ermitteln lässt. Insbesondere im Clausius-Rankine-Prozess, dem klassischen Wasser-Dampf-Prozess zur Erzeugung von mechanischer Energie bzw. Strom aus chemisch gebundener Wärme, ist er darüber hinaus jedem ein Begriff, der sich mit Energietechnik beschäftigt. Weit weniger geläufig ist uns heute dagegen die Tatsache, dass er grundlegende Arbeiten zur kinetischen Gastheorie und elektrolytischen Dissoziation geliefert hat. 1857 verfeinert er August Carl 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 veranlassen James Clerk Maxwell und später Ludwig Boltzmann zu entscheidenden Entdeckungen, die die kinetische Gastheorie maßgeblich begründen. Nicht zuletzt arbeitet Clausius auch an einer Elektrodynamik bewegter Körper, die erst durch Einstein's Arbeit 1905 ihre Lösung gefunden hat.

Im Jahre 1850 beginnt Clausius sich mit dem Fachgebiet zu beschäftigen, dem er seinen größten Ruhm verdankt: der mechanischen Wärmetheorie (Thermodynamik). Clausius nimmt 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 gibt ihm die erste quantitative Formulierung, indem er 1850 eine Beziehung zwischen der Wärmemenge Q, Arbeit W und innerer Energie U aufstellt ( dQ = dU + dW ). Im Unterschied zur bis dahin vorherrschenden Meinung erkennt 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 bezeichnet 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.

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: Wandlungspotential). 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.

Weblinks

• Literatur von und über Rudolf Julius Emanuel Clausius im Katalog der DDB

Personendaten
NAME	Clausius, Rudolf Julius Emanuel
ALTERNATIVNAMEN
KURZBESCHREIBUNG	deutscher Physiker
GEBURTSDATUM	2. Januar 1822
GEBURTSORT	Köslin
STERBEDATUM	24. August 1888
STERBEORT	Bonn