Benoit Paul Émile Clapeyron, buhar basıncının sıcaklıkla değişimini (genleşme olayı) tanımlayan Clausius-Clapeyron denklemi ile termodinamikte oldukça bilinen bir bilim insanı olmasının yanında; kariyerini demiryolu mühendisi ve lokomotif tasarımcısı olarak yapmıştır.
26 Ocak 1799’da Paris’de dünyaya gelmiş ve 28 Ocak 1864 yılında yine Paris’de hayatını kaybeden Fransız fizikçi Benoit Paul Émile Clapeyron, 1858 yılından ölümüne kadar olan süre boyunca Paris Bilimler Akademisi’nin bir üyesi olmuştur.
Émile Clapeyron, 1818’de mezun olduğu École Polytechnique’de (mühendislik fakültesi) eğitim gördü. Daha sonra École des Mines’e gitti ve burada arkadaşı Gabriel Lamé ile birlikte mühendislik eğitimi aldı. Clapeyron ve Lamé 1820’de Rusya’ya gitti. Rusya’da I.Alexander, Rusya’nın yol ve köprülerini iyileştirmek için bir mühendis ekibi kurmuştu ve ikili, yeni kurulan ekipleri eğitmek ve yönlendirmek konusunda uzmanlık kazanabilmek için Fransa’ya döndü. Daha sonra Clapeyron ve Lamé, École des Travaux Publics’in kurulduğu St Petersburg’a gitti ve orada teorik ve uygulamalı matematik eğitimi verdiler. Her ikisi de eğitim vermenin yanı sıra inşaat çalışmalarına da liderlik ettiler.
Clapeyron ve Lamé 10 yıl boyunca Rusya’da kaldılar. Bu süre zarfında, matematik ve mühendislik uygulamalarının ortak kullanıldığı çalışmaları birkaç dergide yayınlandı. 1830 devriminden hemen sonra siyasi görüşleri hoş karşılanmadığından dolayı Rusya’dan ayrıldılar. Demiryolları yapımının yeni başladığı bir dönemde Fransa’ya geri döndüler, ancak erken girişimler ekonomik başarısızlıklara neden olmuştu. Fakat onlar, demiryollarında büyük bir gelecek görmüşlerdi ve gelişimleri ile bağlantılı mühendislik problemleri üzerine bir çalışma yapmaya başlamışlardı.
Clapeyron, Paris’ten St Germain’e bir demiryolu hattı önerdi ve proje için fon aradı. Ancak, fon sağlanmadan önce St Étienne’de ki École des Mineurs’de bir başkanlık teklifi aldı. 1835 yılında Paris’ten St Germain hattının inşası onaylandı ve Clapeyron ile Lamé projeden sorumlu oldu. Lamé’ye, École Polytechnique’de fizik bölümüne, çalışmalarına başladıktan kısa bir süre sonra başkanlık teklifi edildi ve Clapeyron, girişimin başına geçti.
1836’da buhar lokomotifleri konusunda uzmanlaşmış olan Clapeyron, bazı özel lokomotiflerin inşası için İngiltere’ye gitti. Clapeyron lokomotif yapımcılarının en ünlülerinden olan Stevenson ile görüşmeler yaptı, ancak Stevenson Clapeyron’un tasarımlarını zor buldu ve sözleşmeyi reddetti. Clapeyron daha sonra değiştirilebilir parçaların kullanımının en eski uygulamalardan biriyle sağlanıldığı demiryolu lokomotifleri yapan bir firma olan Sharp, Roberts ve Company’ye gitti. Fransa’ya döndüğünde projesine devam eden Clapeyron, faaliyetlerini metal köprü tasarımına kadar genişletti.
1844’te Clapeyron, École des Ponts et Chaussées’de profesör olarak atandı, daha sonra 1848’de Paris Bilimler Akademisi’ne seçildi. Akademide, başta mekanik ödülünü kazanan komite olmak üzere birçok komiteye hizmet etti. Ayrıca, Süveyş Kanalı’nın inşasını inceleyen bir komiteyle buhar makinelerinin donanmada nasıl kullanılabileceğinin incelendiği bir başka komite için de çalıştı.
Clapeyron, 1834 yılında grafiksel sunumlar yardımıyla Sadi Carnot’un analitik olarak ısınmaya ilişki fikirlerini ifade etti. Sadık Carnot’un çalışması, Clapeyron’un Carnot döngüsünün matematiksel formülasyonda verildiği çalışmadan önce neredeyse bilinmiyordu. Clapeyron’un bu çalışması, termodinamiğin ikinci yasası için önemi ortaya çıktığında Thomson ve Clausius üzerinde önemli etkilere sahip oldu.
Bir sıvının buharlaşma ısısını belirleyen diferansiyel denklem olan Clapeyron bağıntısı yine Clapeyron’un kendi adı ile anılmaktadır.
Clausius-Clapeyron Denklemi
Herhangi bir sıcaklıktaki buhar basıncını tahmin etmek için bu denklem kullanılır. İki sıcaklıkta ölçülen buhar basıncından faz geçiş sıcaklığı hesaplanabilir.
Çoğu sıvının buharlaşma eğrileri benzer şekle sahiptir. Sıcaklık arttıkça buhar basıncı giderek artar. Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak basınç artışı için matematiksel bir model bulmak iyi bir yaklaşımdır. Verilen denklemde P basınç, buharlaşma entalpisi DHvap , ve sıcaklık T ile gösterilmiştir;
P = A exp (- DHvap / R T)
R, 8.3145 J mol-1 K-1 ve A gaz sabitidir ve bilinmeyen bir sabittir. Bu Clausius-Clapeyron denklemi olarak bilinir. Eğer T1 ve T2 sıcaklıklarında ki basınçlar P1 ve P2 ise denklem,
ln (P1 /P2) = DHvap / R (1/T2 – 1/T1)
şeklinde de ifade edilebilir. Clausius-Clapeyron denklemi, eğer buhar basıncı bir sıcaklıkta biliniyorsa ve buharlaşma entalpisi biliniyorsa, başka bir sıcaklıkta buhar basıncını tahmin etmemizi sağlar.
Onurlar, Ödüller
- Paris’te bir caddeye ismi verilmiştir (Rue Clapeyron- 8th Arrondissement)
- Eyfel Kulesi’nde anılmaktadır.
Çalışmaları
“Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur.” Journal de l’École Royale Polytechnique, 1834, vol. 14, fasc. 23.
“Mémoire sur la règlement des tiroirs dans les machines à vapeur.” Comptes rendus hebdomadaires des séances del’Académie des Sciences, 1842, vol. 14, no. 18, pp. 632–63.
“Calcul d’une poutre élastique reposant librement sur des appuis inégalement espacés.” Ibid., 1857, vol. 45, no. 26.