Џосаја Вилард Гибс

Џосаја Вилард Гибс
Џосаја Вилард Гибс
Лични подаци
Датум рођења	(1839-02-11)11. фебруар 1839.
Место рођења	Њу Хејвен, Конектикат, САД
Датум смрти	28. април 1903.(1903-04-28) (64 год.)
Место смрти	Њу Хејвен, Конектикат, САД
Држављанство	америчко
Образовање	Јејл колеџ
Научни рад
Поље	Физика, хемија, математика
Институција	Јејл колеџ
Ученици	Едвин Бидвел Вилсон, Ервинг Фишер|, Хенри Ендруз Бамстед, Линд Вилер, Ли Де Форест
Ментори	Хуберт Ансон Њутн
Позната по	Хемијска термодинамика хемијски потенцијал статистичка механика статистички ансамбл Гибсова ентропија фазни протор физичка оптика Гибсова слободна енергија фазно правило Гибсов парадокс векторска анализа векторски производ Гибсов феномен Гибс–Хелмхолцова једначина Гибс–Диемова једначина Гибсов алгоритам Гибсова мера Гибсово стање Гибс-Томсонов ефекат Гибсова изотерма Гибс-Донанов ефекат Гибс-Марангонијев ефекат Гибсова лема Гибсова неједнакост Гибсова дистрибуција
Награде	Румфордова награда (1880) ForMemRS (1897) Коплијева медаља (1901)
Потпис	[[Филе:{{{потпис}}}ЈWгиббс-сигнатуре.јпг|фрамелесс|упригхт=0.72|алт=потпис_алт}}}]]

Џосаја Вилард Гибс (енгл. Josiah Willard Gibbs; 11. фебруар 1839 — 28. април 1903) био је амерички научник који је направио важне теоретске доприносе у физици, хемији и математици. Његов рад на примени термодинамике је био инструменталан у трансформисању физичке хемије у ригорозну индуктивну науку. Заједно са Џејмсом Клерком Максвелом и Лудвигом Болцманом, он је креирао статистичку механику (термин који је он сковао), објашњавајући законе термодинамике као последице статистичких својстава ансамбла могућих стања физичког система који се састоји од честица. Гибс је исто тако радио на примени Максвелових једначина на проблеме физичке оптике. Као математичар, он је изумео модерну векторску анализу (независно од британског научника Оливера Хевисајда, који се бавио сличним радом токог истог периода).

Године 1863, Јејл је наградио Гибса првим америчким докторатом у инжињерству. Након трогодишњег боравка у Европи, Гибс је провео остатак своје каријере на Јејлу, где је био професор математичке физике од 1871. до своје смрти. Радећи у релативној изолацији, он је постао најранији теоретски научник у Сједињеним Државама који је стекао међународну репутацију и кога је хвалио Алберт Ајнштајн као „највећег ума америчке историје”. Године 1901, Гибс је примио оно што је тада сматрано највећим изразом почасти међународне научне заједнице, Коплијеву медаљу Краљевског друштва из Лондона, „за његов допринос математичкој физици”.

Коментатори и биографи наглашавају контраст између Гибсовог тихог, усамљеничког живота у Новој Енглеској на прелазу века и великог међународног импакта његових идеја. Мада је његов рад био скоро у потпуности теоретски, практична вредност Гибсових доприноса постала је евидентна са развојем индустријске хемије током прве половине 20. века. Према Роберту А. Миликену, у чистој науци Гибс је „урадио за статистичку механику и за термодинамику оно што је Лаплас урадио за небеску механику и Максвел за електродинамику, наиме, учинио своје поље добро завршеном теоријском структуром”.

Главни научни доприноси

Хемијска термодинамика

Графичка репрезентација слободне енергије тела, из публикације коју је Гибс објавио 1873. године. Призана је раван константне запремине, при пролазу корз тачку А која представља иницијално стање тела. Крива MN је секција „површине дисипације енергије”. AD и AE су, респективно, енергија (ε) и ентропија (η) иницијалног стана. AB је „доступна енергија” (која се у данашње време назива Хелмхолцовом слободном енергијом), а AC је „капацитет за ентропију” (и.е., количина за коју се ентропија може повећати без промене енергије или запремине).

Гибсови чланци из 1870-тих су увели идеју изражавања унутрашње енергије система (U) у виду ентропије С, поред уобичајених променљивих стања: запремине V, притиска p, и температуре T. Он је исто тако увео концепт хемијског потенцијала $\mu$ дате хемијске врсте, дефинисан као брзина повећања U асоцирана са повећањем броја N молекула дате врсте (при константној ентропији и запремини). Гибс је био први који је комбиновао фрви и други закон термодинамике изражавајући инфинитезималну промену унутрашње енергије, dU, затвореног система у облику:

$\mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-p\,\mathrm {d} V+\sum _{i}\mu _{i}\,\mathrm {d} N_{i}\,$

где је T апсолутна температура, p је притисак, dS је инфинитезимална промена ентропије и dV је инфинитезимална промена запремине. Задњи термин је сума преко свих хемијских врста хемијске реакције, хемијског потенцијала, μ_i, iте врсте, помножена инфинитезималном променом броја молова, dN_i те врсте. Користечи Лежандрову трансформацију овог израза, он је дефинисао концепте енталпије, H и Гибсове слободне енергије, Г.

$G_{(p,T)}=H-TS$

Ово је упоредиво са изразом за Хелмхолцову слободну енергију, А.

$A_{(v,T)}=U-TS\,$

Када је Гибсова слободна енергија хемијске реакције негативна, реакција ће се спонтано одвијати. Кад је хемијски систем у равнотежи, промена Гибсове енергије је једнака нули. Константа равнотеже се једноставно повезује са слободном енергијом кад су реактанти у њиховим стандардним стањима.

$\Delta G^{\ominus }=-RT\ln K$

Хемијски потентијал се обично дефинише као парцијална моларна Гибсова слободна енергија.

$\mu _{i}=\left({\frac {\partial G}{\partial N_{i}}}\right)_{T,P,N_{j\neq i}}$

Гибс је исто тако извео израз који је касније постао познат као „Гибс-Диемова једначина”.

Објављивање публикације „О еквилибријуму хетерогених супстанци” (1874–78) се у данашње време сматра прекретницом у развоју хемије. У том раду је Гибс развио ригорозну математичку теорију за разне транспортне феномене, укључујући адсорпцију, електрохемију, и Марангонијев ефекат у флуидним смешама. Он је исто тако формулисао правило фаза

$F\;=\;C\;-\;P\;+\;2$

за број F променљивих које могу да буду независно контролисане у равнотежној смеши са C компоненти које постоје у P фаза. Правило фаза је веома корисно у разним областима, као што су металургија, минералогија, и петрологија. Оно се исто тако може применити на разне истраживачке проблеме у физичкој хемији.

Статистичка механика

Заједно са Џејмсом Клерком Максвелом и Лудвигом Болцманом, Гибс је засновао „статистичку механику”, термин који је он сковао да би идентификовао грану теоретске физике која се бави уоченим термодинамичким својствима система у смислу статистике ансамбла - колекције мноштва могућих стања система, свако од којих има одређену вероватноћу. Он је тврдио да ако би временска еволуција појединачног стања прошла кроз сва друга стања ансамбла — такозвана ергодична хипотеза — онда би се у просеку током довољно дугог времена појединачно стање понашало на начин који је типичан за ансамбл. Он је увео концепт „фазе механичког система”. Он је користио тај концепт да дефинише микроканонске, канонске, и велике канонске ансамбле; сви од којих су повезани са Гипсовом мером, чиме је остварена генералнија формулација статистичих својстава система са много честица него што су Максвел и Болцман остварили пре њега.

Према Анри Поенкаровом запису из 1904. године, мада су Максвел и Болцман претходно објаснили неповратност макроскопских физичких процеса у пробабилистичком смислу, „онај који ју је најјасније описао, у књизи која је недовољно читана јер је мало тежа за читање, је Гибс у својим Елементарним принципима татистичке механике.” Гибсова анализа неповратности, и његова формулација Болцманове Х-теореме и ергодичне хипотезе, извршили су значајан утицај на математичку физику 20. века.

Гибс је био добро упознат са чињеницом да је примена еквипартиционе теореме на велике системе класичних честица била неуспешна у објашњавању мерења специфичне топлоте чврстих тела и гасова, и он је тврдио да је то евиденција опасности од базирања термодинамике на „хипотезама о конституцији материје”. Гибсов сопствен оквир за статистичку механику, базиран на ансамблу макроскопски неприметних микростања, могао је да буде пренесен скоро у потпуности након открића да микроскопски закони природе следе квантна правила, пре него класичне законе које су Гибс и његови савременици познавали. Његово решење такозваног „Гибсовог парадокса”, о ентропији смеше гасова, у данашње време се цитира као префигурација неразликовања честица, која је пререквизит квантне физике.

Литература

• Wиенер, Норберт (1961). „ИИ: Гроупс анд Статистицал Мецханицс”. Цyбернетицс: ор Цонтрол анд Цоммуницатион ин тхе Анимал анд тхе Мацхине (2 изд.). МИТ Пресс. ИСБН 978-0-262-23007-0. 
• Wигхтман, Артхур С. (1990). „Он тхе Пресциенце оф Ј. Wиллард Гиббс”. Процеедингс оф тхе Гиббс Сyмпосиум. стр. 23—38. 
• Отт, Беван Ј.; Боерио-Гоатес, Јулиана (2000). Цхемицал Тхермодyнамицс – Принциплес анд Апплицатионс. Ацадемиц Пресс. стр. 1,213–214. ИСБН 978-0-12-530990-5. 
• Отт, Беван Ј.; Боерио-Гоатес, Јулиана (2000). Цхемицал Тхермодyнамицс – Принциплес анд Апплицатионс. Ацадемиц Пресс. стр. 1,213–214. ИСБН 978-0-12-530990-5. 
• Поинцарé, Хенри (1904). „Тхе Принциплес оф Матхематицал Пхyсицс”. Тхе Фоундатионс оф Сциенце (Тхе Валуе оф Сциенце). Неw Yорк: Сциенце Пресс. стр. 297—320. 
• Wолфрам, Степхен (2002). А Неw Кинд оф Сциенце. Wолфрам Медиа, Инц. стр. 1020. ИСБН 978-1-57955-008-0. 
• L. П. Wхеелер, Е. О. Wатерс анд С. W. Дудлеy (едс.),Тхе Еарлy Wорк оф Wиллард Гиббс ин Апплиед Мецханицс. Тхе Еарлy Wорк оф Wиллард Гиббс ин Апплиед Мецханицс. Неw Yорк: Хенрy Сцхуман. 1947. ИСБН 978-1-881987-17-8.  Тхис цонтаинс превиоуслy унпублисхед wорк бy Гиббс, фром тхе период бетwеен 1863 анд 1871.
• Ј. W. Гиббс, "Он тхе Еqуилибриум оф Хетерогенеоус Субстанцес", Трансацтионс оф тхе Цоннецтицут Ацадемy оф Артс анд Сциенцес, 3, 108–248, 343–524, (1874–1878). Репродуцед ин ботх Тхе Сциентифиц Паперс (1906), 55–353 анд Тхе Цоллецтед Wоркс оф Ј. Wиллард Гиббс (1928). стр. 55.–353.
• Е. Б. Wилсон, Вецтор Аналyсис, а теxт-боок фор тхе усе оф студентс оф Матхематицс анд Пхyсицс, фоундед упон тхе Лецтурес оф Ј. Wиллард Гиббс, (Неw Хавен. . Yале Университy Пресс. 1929.  [1901]).
• Ј. W. Гиббс, Елементарy Принциплес ин Статистицал Мецханицс, девелопед wитх еспециал референце то тхе ратионал фоундатион оф тхермодyнамицс, (Неw Yорк: Довер Публицатионс, 1960 [1902]).
• Тхе Сциентифиц Паперс оф Ј. Wиллард Гиббс,. ин тwо волумес, едс. Х. А. Бумстеад анд Р. Г. Ван Наме, (Wоодбридге, ЦТ. Сциентифиц Паперс оф Ј. Wиллард Гиббс: Дyнамицс, Вецтор Аналyсис, Мултипле Алгебра, Елецтромагнетиц Тхеорy оф Лигхт. Оx Боw Пресс. 1993. ИСБН 978-1-881987-06-2.  [1906]). ISBN 978-0-918024-77-0.. For scans of the 1906 printing, see vol. I and vol. II.
• The Collected Works of J. Willard Gibbs, in two volumes, eds. W. R. Longley and R. G. Van Name, (New Haven. . Yale University Press. 1957.  [1928]). For scans of the 1928 printing, see vol. I and vol. II.
• Anonymous (1903). „Josiah Willard Gibbs”. American Journal of Science. 16 (93): 187—202. Bibcode:1903AmJS...16..187A. doi:10.2475/ajs.s4-16.93.187. . Reprinted with some additions in both The Scientific Papers, vol. I, xiii–xxviiii (1906) and The Collected Works of J. Willard Gibbs, vol. I, pp. xiii–xxviiii (1928). Also available here [1].
• D. G. Caldi and G. D. Mostow (eds.), Proceedings of the Gibbs Symposium, Yale University, May 15–17, 1989, (American Mathematical Society and American Institute of Physics, 1990).
• W. H. Cropper (2001). „The Greatest Simplicity: Willard Gibbs”. Great Physicists. Oxford: Oxford University Press. стр. 106.—123. ISBN 978-0-19-517324-6. 
• M. J. Crowe. A History of Vector Analysis: The Evolution of the Idea of a Vectorial System, (New York: Dover, 1994 [1967]). ISBN 978-0-486-67910-5.
• Ј. Г. Цроwтхер. Фамоус Америцан Мен оф Сциенце, Фамоус Америцан Мен оф Сциенце. Фреепорт, НY: Боокс фор Либрариес Пресс. 1969 [1937]. ИСБН 978-0-8369-0040-8. 
• Ф. Г. Доннан; А. Е. Хасс, ур. (1980) [1936]. А Цомментарy он тхе Сциентифиц Wритингс оф Ј. Wиллард Гиббс. Неw Yорк: Арно. ИСБН 978-0-405-12544-7.  Онлy вол I. ис цуррентлy аваилабле онлине.
• П. Духем, Јосиах-Wиллард Гиббс à пропос де ла публицатион де сес Мéмоирес сциентифиqуес, (Парис: А. Херман, 1908).
• C. С. Хастингс, "Јосиах Wиллард Гиббс", Биограпхицал Мемоирс оф тхе Натионал Ацадемy оф Сциенцес, 6, 373–393 (1909).
• M. Ј. Клеин, "Гиббс, Јосиах Wиллард", ин Цомплете Дицтионарy оф Сциентифиц Биограпхy, вол. 5, (Детроит: Цхарлес Сцрибнер'с Сонс) (2008). стр. 386.–393.
• M. Рукеyсер. Wиллард Гиббс: Америцан Гениус. Wиллард Гиббс. Wоодбридге, ЦТ: Оx Боw Пресс. 1988 [1942]. ИСБН 978-0-918024-57-2. 
• Р. Ј. Сеегер. Ј. Wиллард Гиббс, Америцан матхематицал пхyсицист. пар еxцелленце. Ј. Wиллард Гиббс, Америцан Матхематицал Пхyсицист Пар Еxцелленце. Оxфорд анд Неw Yорк: Пергамон Пресс. 1974. ИСБН 978-0-08-018013-7. 
• Wхеелер, L. П. (1998) [1951]. Јосиах Wиллард Гиббс, Тхе Хисторy оф а Греат Минд. Wоодбридге, ЦТ: Оx Боw Пресс. ИСБН 978-1-881987-11-6. 
• А. С. Wигхтман, "Цонвеxитy анд тхе нотион оф еqуилибриум стате ин тхермодyнамицс анд статистицал мецханицс". Публисхед ас ан интродуцтион то Р. Б. Исраел. Цонвеxитy ин тхе Тхеорy оф Латтице Гасес, (Принцетон, Њ. Цонвеxитy ин тхе Тхеорy оф Латтице Гасес. Принцетон Университy Пресс. 1979. ИСБН 978-0-691-08209-7. ), пп. иx–лxxxв.
• Е. Б. Wилсон, "Реминисценцес оф Гиббс бy а студент анд цоллеагуе", Буллетин оф тхе Америцан Матхематицал Социетy, 37, 401–416 (1931).

Додатна литература

• Каданофф, Лео П. (2014). „Рефлецтионс он Гиббс: Фром Статистицал Пхyсицс то тхе Амистад В3.0”. Јоурнал оф Статистицал Пхyсицс. 156 (1): 1—9. Бибцоде:2014ЈСП...156....1К. С2ЦИД 254689558. арXив:1403.2460 . дои:10.1007/с10955-014-1000-4. 

Спољашње везе

• О'Цоннор, Јохн Ј.; Робертсон, Едмунд Ф. „Џосаја Вилард Гибс”. МацТутор Хисторy оф Матхематицс арцхиве. Университy оф Ст Андреwс. 
• "Josiah Willard Gibbs Архивирано на сајту Wayback Machine (1. мај 2015)", in Selected Papers of Great American Scientists, American Institute of Physics, (2003 [1976])
• Џосаја Вилард Гибс на сајту МГП (језик: енглески)
• "Gibbs" by Muriel Rukeyser