Rudolf Julius Emmanuel Clausius

Il padre, Rev. C.E.G. Clausius, fondò una scuola privata della quale era preside ad anche pastore, che Rudolf frequentò, come i suoi cinque fratelli, fino al Gymnasium che frequentò invece a Stettin (ora Szczecin). Entrò all’Università di Berlino nel 1840, dapprima attratto dallo studio della storia decise poi definitivamente per matematica e fisica e si laureò nel 1844.

Iniziò ad insegnare matematica e fisica al Frederic-Werder Gymnasium poi nel 1848 completò il dottorato all’Università di Halle, con lode, discutendo una tesi sulla luce riflessa dal cielo. In questo lavoro voleva spiegare il colore blu del cielo, il rosso del tramonto e la polarizzazione della luce, ma la spiegazione si rivelò poi sbagliata perché non teneva conto della dispersione come fecero poi Lord Kelvin e Rayleigh. Tuttavia la trattazione matematica è molto approfondita e può essere un esempio di come un problema fisico possa fare progredire la matematica anche se le basi fisiche sono scorrette.

Nel 1850 pubblicò il suo primo articolo sulla teoria meccanica del calore, che sarà il suo più famoso lavoro, la cui importanza fu subito riconosciuta con l’offerta di un posto di Professore alla Scuola Reale di Artiglieria e Ingegneria di Berlino e una docenza all’Università di Berlino.

Nel 1855 fu nominato alla cattedra di Fisica Matematica al Politecnico di Zurigo e all’Università di Zurigo, un ambiente scientificamente stimolante con eccellenti colleghi sia fisici che matematici.

Per questo, nonostante il forte desiderio di tornare nella sua patria che tanto amava, rifiutò le offerte del Politecnico di Karlsruhe, di Vienna e persino di Brunswick, la città della moglie Adelaide Rimpam che aveva sposato nel 1859.

Finalmente nel 1867 cedette, anche se con rammarico, al desiderio di tornare in Germania ed accettò l’offerta dell’Università di Würzburg, e nel 1869 dell’Università di Bonn.

Eventi politici tuttavia cambieranno ben presto la sua vita, infatti Bismarck che aveva appena creato la Confederazione degli stati tedeschi del Nord, volendo unire la Germania attraverso un comune ideale, provocò la Francia inducendola a dichiarare la guerra che lui voleva.

Clausius, fervente patriota, nonostante fosse quasi cinquantenne si unì all’esercito e volle essere al fronte della guerra Franco-Prussiana come capo di un gruppo di ambulanze e infermieri che egli reclutò tra gli studenti di Bonn. Alle sanguinose battaglie di Vionville e Gravelotte che costarono 33000 morti tra le due parti trasportò molti feriti agli ospedali, e per questo ottenne nel 1871 una Croce di Ferro, ma fu anche ferito ad una gamba e restò dolorante e invalido per tutta la vita.

Nel 1875 morì la moglie dando alla luce il loro sesto figlio e dovette occuparsi dei figli curandone personalmente la crescita e i progressi scolastici, il che, unito all’invalidità, non gli permise di concentrarsi sul lavoro scientifico.

Per raggiungere l’Università più rapidamente, dati i problemi alla gamba, imparò a cavalcare su consiglio dei dottori e divenne ben presto un esperto cavaliere.

Nel 1884 divenne Rettore dell’Università di Bonn e nel 1886 si risposò con Sophie Stack dalla quale ebbe un altro figlio. Lavorò fino all’ultimo e persino dal suo ultimo letto continuava a fare esami.

Fu un fisico teorico, anzi uno di quelli che contribuì maggiormente alla creazione della fisica teorica come disciplina.

Il suo nome è legato alla nascita della moderna Termodinamica, già dal suo citato lavoro del 1850 Über die bewegende Kraft der Wärme, dove espone per primo l’idea del Secondo principio della Termodinamica partendo dall’esame del ciclo di Carnot e definitivamente mostra che l’ipotesi del calorico non è necessaria e può essere sostituita dai due principi della termodinamica. Clausius deriva il Primo Principio (equivalenza tra calore e lavoro) dai dati sperimentali di Joule e lo spiega con la teoria cinetica: il lavoro fatto sul gas aumenta l’energia cinetica delle particelle risultando così in un aumento di temperatura e viceversa. Spiega anche il calore latente come lavoro contro le forze intermolecolari. Nella formula dQ = dU + dW introduce il temine U, poi chiamato da Lord Kelvin energia interna in un articolo dell’anno successivo dove scrive: il merito di aver stabilito per primo il teorema di Carnot, con corretti principi, è interamente di Clausius.

La versione del Secondo Principio contenuta nel lavoro del 1850 (il calore scorre spontaneamente sempre da corpi caldi a corpi freddi) è solo l’inizio del coinvolgimento di Clausius in questo problema e nei successivi quindici anni pubblicherà ben otto articoli nel tentativo di rendere la formulazione più semplice, generale e soprattutto più matematica.

Nei lavori del 1850 e 1854 introdusse l’equazione di Clausius-Clapeyron e per trattare il rendimento di un motore termico introdusse una quantità invariante, senza darle un nome fino al 1865 quando la chiamò entropia.

In questo lavoro formulò i due principi nella semplice forma: 1) l’energia dell’universo è costante, 2) l’entropia dell’universo tende ad un massimo.

Interessato da sempre a fondare la termologia su di una base microscopica-molecolare uno scritto di Krönig gli fece conoscere la teoria cinetica dei gas e nel 1857 scrisse un lavoro dal significativo titolo Il tipo di moto che chiamiamo calore nel quale forniva una completa descrizione di vari fenomeni termici, le leggi dei gas in particolare, su basi cinetico-molecolari e introdusse varie novità come i gradi di libertà rotazionali (equipartizione dell’energia) e le forze intermolecolari in funzione della distanza, per spiegare i passaggi di stato (da questo lavoro prese spunto Van der Waals): nel 1858 per rispondere ad un’obiezione di Buys-Ballot introdusse il concetto di libero cammino medio.

Il suo patriottismo lo portò anche a dispute scientifiche, prima con William Thomson (Lord Kelvin) che aveva attribuito a Joule un suo risultato, poi con Tait sulla priorità dell’idea dell’equivalente meccanico del calore tra l’inglese Joule e il tedesco Julius von Mayer. In realtà la discussione era tra Tait e Tyndall che chiese a Clausius di fargli avere i lavori di Mayer e Clausius ne approfittò non solo per rivendicare la priorità di Mayer, ma della ‘nazione tedesca’ (1868).

Una disputa più violenta con Tait si ebbe nel 1872 dopo la pubblicazione della Teoria del calore di Maxwell quando si lamentò che gli inglesi si erano appropriati di una teoria che era opera esclusivamente sua (lamentele in effetti fuori luogo perché Maxwell aveva ripetutamente riconosciuto e citato il contributo di Clausius).

Questo suo atteggiamento sospettoso ed egocentrico in effetti influenzò anche i suoi risultati scientifici perché non mostrò interesse alcuno, o forse nemmeno se ne accorse, per il lavoro dei suoi contemporanei, specialmente Gibbs e Boltzmann, che andavano nella sua stessa direzione e cercavano una spiegazione microscopica dell’irreversibilità e dell’entropia.

In realtà alcuni storici accusano Clausius di utilizzare lui stesso le idee degli altri e che l’intero suo lavoro sia stato influenzato dalla idea di William Thomson di una ‘tendenza universale alla dissipazione dell’energia’.

Il suo nome è legato solamente alla termodinamica, ma si occupò anche di altro, in particolare di elettrodinamica, dopo il 1875, cercando una formulazione della conservazione dell’energia in termini di forze che dipendevano da accelerazioni, ma anche da velocità, questo portò a contraddizioni risolte introducendo una velocità relativa rispetto all’etere. La sua teoria presentava molti problemi, ma giocò un ruolo importante nello sviluppo di una teoria elettrodinamica.

Ricevette per il suo lavoro numerosi riconoscimenti, fu eletto membro della Royal Society nel 1868 e ricevette la Medaglia Copley nel 1879 (ricordiamo che era il più importante premio scientifico prima dell’introduzione dei Nobel) oltre a numerosi altri premi e dottorati onorari.