Džosaja Vilard Gibs

---

Potpis[[File:{{{потпис}}}JWgibbs-signature.jpg|frameless|upright=0.72|alt=potpis_alt}}}]]

Džosaja Vilard Gibs (engl. Josiah Willard Gibbs; 11. februar 1839 — 28. april 1903) bio je američki naučnik koji je napravio važne teoretske doprinose u fizici, hemiji i matematici. Njegov rad na primeni termodinamike je bio instrumentalan u transformisanju fizičke hemije u rigoroznu induktivnu nauku. Zajedno sa Džejmsom Klerkom Maksvelom i Ludvigom Bolcmanom, on je kreirao statističku mehaniku (termin koji je on skovao), objašnjavajući zakone termodinamike kao posledice statističkih svojstava ansambla mogućih stanja fizičkog sistema koji se sastoji od čestica. Gibs je isto tako radio na primeni Maksvelovih jednačina na probleme fizičke optike. Kao matematičar, on je izumeo modernu vektorsku analizu (nezavisno od britanskog naučnika Olivera Hevisajda, koji se bavio sličnim radom tokog istog perioda).

Godine 1863, Jejl je nagradio Gibsa prvim američkim doktoratom u inžinjerstvu. Nakon trogodišnjeg boravka u Evropi, Gibs je proveo ostatak svoje karijere na Jejlu, gde je bio profesor matematičke fizike od 1871. do svoje smrti. Radeći u relativnoj izolaciji, on je postao najraniji teoretski naučnik u Sjedinjenim Državama koji je stekao međunarodnu reputaciju i koga je hvalio Albert Ajnštajn kao „najvećeg uma američke istorije”.^[2] Godine 1901, Gibs je primio ono što je tada smatrano najvećim izrazom počasti međunarodne naučne zajednice, Koplijevu medalju Kraljevskog društva iz Londona,^[2] „za njegov doprinos matematičkoj fizici”.^[3]

Komentatori i biografi naglašavaju kontrast između Gibsovog tihog, usamljeničkog života u Novoj Engleskoj na prelazu veka i velikog međunarodnog impakta njegovih ideja. Mada je njegov rad bio skoro u potpunosti teoretski, praktična vrednost Gibsovih doprinosa postala je evidentna sa razvojem industrijske hemije tokom prve polovine 20. veka. Prema Robertu A. Milikenu, u čistoj nauci Gibs je „uradio za statističku mehaniku i za termodinamiku ono što je Laplas uradio za nebesku mehaniku i Maksvel za elektrodinamiku, naime, učinio svoje polje dobro završenom teorijskom strukturom”.^[4]

Glavni naučni doprinosi

Hemijska termodinamika

Gibsovi članci iz 1870-tih su uveli ideju izražavanja unutrašnje energije sistema (U) u vidu entropije S, pored uobičajenih promenljivih stanja: zapremine V, pritiska p, i temperature T. On je isto tako uveo koncept hemijskog potencijala ${\displaystyle \mu }$ date hemijske vrste, definisan kao brzina povećanja U asocirana sa povećanjem broja N molekula date vrste (pri konstantnoj entropiji i zapremini). Gibs je bio prvi koji je kombinovao frvi i drugi zakon termodinamike izražavajući infinitezimalnu promenu unutrašnje energije, dU, zatvorenog sistema u obliku:^[5]

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

gde je T apsolutna temperatura, p je pritisak, dS je infinitezimalna promena entropije i dV je infinitezimalna promena zapremine. Zadnji termin je suma preko svih hemijskih vrsta hemijske reakcije, hemijskog potencijala, μ_i, ite vrste, pomnožena infinitezimalnom promenom broja molova, dN_i te vrste. Koristeči Ležandrovu transformaciju ovog izraza, on je definisao koncepte entalpije, H i Gibsove slobodne energije, G.

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

Ovo je uporedivo sa izrazom za Helmholcovu slobodnu energiju, A.

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

Kada je Gibsova slobodna energija hemijske reakcije negativna, reakcija će se spontano odvijati. Kad je hemijski sistem u ravnoteži, promena Gibsove energije je jednaka nuli. Konstanta ravnoteže se jednostavno povezuje sa slobodnom energijom kad su reaktanti u njihovim standardnim stanjima.

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

Hemijski potentijal se obično definiše kao parcijalna molarna Gibsova slobodna energija.

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

Gibs je isto tako izveo izraz koji je kasnije postao poznat kao „Gibs-Diemova jednačina”.^[6]

Objavljivanje publikacije „O ekvilibrijumu heterogenih supstanci” (1874–78) se u današnje vreme smatra prekretnicom u razvoju hemije.^[7] U tom radu je Gibs razvio rigoroznu matematičku teoriju za razne transportne fenomene, uključujući adsorpciju, elektrohemiju, i Marangonijev efekat u fluidnim smešama.^[8] On je isto tako formulisao pravilo faza

${\displaystyle F\;=\;C\;-\;P\;+\;2}$

za broj F promenljivih koje mogu da budu nezavisno kontrolisane u ravnotežnoj smeši sa C komponenti koje postoje u P faza. Pravilo faza je veoma korisno u raznim oblastima, kao što su metalurgija, mineralogija, i petrologija. Ono se isto tako može primeniti na razne istraživačke probleme u fizičkoj hemiji.^[9]

Statistička mehanika

Zajedno sa Džejmsom Klerkom Maksvelom i Ludvigom Bolcmanom, Gibs je zasnovao „statističku mehaniku”, termin koji je on skovao da bi identifikovao granu teoretske fizike koja se bavi uočenim termodinamičkim svojstvima sistema u smislu statistike ansambla - kolekcije mnoštva mogućih stanja sistema, svako od kojih ima određenu verovatnoću. On je tvrdio da ako bi vremenska evolucija pojedinačnog stanja prošla kroz sva druga stanja ansambla — takozvana ergodična hipoteza — onda bi se u proseku tokom dovoljno dugog vremena pojedinačno stanje ponašalo na način koji je tipičan za ansambl.^[10] On je uveo koncept „faze mehaničkog sistema”.^[11][12] On je koristio taj koncept da definiše mikrokanonske, kanonske, i velike kanonske ansamble; svi od kojih su povezani sa Gipsovom merom, čime je ostvarena generalnija formulacija statističih svojstava sistema sa mnogo čestica nego što su Maksvel i Bolcman ostvarili pre njega.^[13]

Prema Anri Poenkarovom zapisu iz 1904. godine, mada su Maksvel i Bolcman prethodno objasnili nepovratnost makroskopskih fizičkih procesa u probabilističkom smislu, „onaj koji ju je najjasnije opisao, u knjizi koja je nedovoljno čitana jer je malo teža za čitanje, je Gibs u svojim Elementarnim principima tatističke mehanike.”^[14] Gibsova analiza nepovratnosti, i njegova formulacija Bolcmanove H-teoreme i ergodične hipoteze, izvršili su značajan uticaj na matematičku fiziku 20. veka.^[15][16]

Gibs je bio dobro upoznat sa činjenicom da je primena ekviparticione teoreme na velike sisteme klasičnih čestica bila neuspešna u objašnjavanju merenja specifične toplote čvrstih tela i gasova, i on je tvrdio da je to evidencija opasnosti od baziranja termodinamike na „hipotezama o konstituciji materije”.^[5] Gibsov sopstven okvir za statističku mehaniku, baziran na ansamblu makroskopski neprimetnih mikrostanja, mogao je da bude prenesen skoro u potpunosti nakon otkrića da mikroskopski zakoni prirode slede kvantna pravila, pre nego klasične zakone koje su Gibs i njegovi savremenici poznavali.^[7][17] Njegovo rešenje takozvanog „Gibsovog paradoksa”, o entropiji smeše gasova, u današnje vreme se citira kao prefiguracija nerazlikovanja čestica, koja je prerekvizit kvantne fizike.^[18]

Reference

Literatura

Dodatna literatura

• Kadanoff, Leo P. (2014). „Reflections on Gibbs: From Statistical Physics to the Amistad V3.0”. Journal of Statistical Physics. 156 (1): 1—9. Bibcode:2014JSP...156....1K. S2CID 254689558. arXiv:1403.2460 . doi:10.1007/s10955-014-1000-4. 

Spoljašnje veze

• O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. „Džosaja Vilard Gibs”. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews. 
• "Josiah Willard Gibbs Архивирано на сајту Wayback Machine (1. мај 2015)", in Selected Papers of Great American Scientists, American Institute of Physics, (2003 [1976])
• Džosaja Vilard Gibs на сајту MGP (језик: енглески)
• "Gibbs" by Muriel Rukeyser