Josiah Willard Gibbs (11 Februarie 1839 - 28 April 1903) was 'n Amerikaanse wetenskaplike wat beduidende teoretiese bydraes tot fisika, chemie en wiskunde gelewer het. Sy werk oor die toepassings van termodinamika het daartoe bygedra om fisiese chemie in 'n streng induktiewe wetenskap te omskep. Saam met James Clerk Maxwell en Ludwig Boltzmann het hy statistiese meganika geskep ('n term wat hy self geskep het) en die wette van termodinamika verduidelik as gevolge van die statistiese eienskappe van groepe ("ensembles") van die moontlike toestande van 'n fisiese stelsel wat uit baie deeltjies bestaan. Gibbs het ook gewerk aan die toepassing van vergelykings van Maxwell op probleme in fisiese optika. As wiskundige het hy moderne vektoranalise ontwikkel (onafhanklik van die Britse wetenskaplike Oliver Heaviside, wat in dieselfde tydperk soortgelyke werk gedoen het).
In 1863 is die eerste Amerikaanse doktorsgraad in ingenieurswese aan Gibbs deur Yale-universiteit toegeken. Na 'n drie jaar lange verblyf in Europa het Gibbs die res van sy loopbaan te Yale deurgebring, waar hy 'n professor in wiskundige fisika was van 1871 tot sy dood. Terwyl hy in relatiewe isolasie gewerk het, het hy die vroegste teoretiese wetenskaplike in die Verenigde State geword wat 'n internasionale reputasie verwerf het en is hy deur Albert Einstein geprys as "die grootste verstand in die Amerikaanse geskiedenis". In 1901 het Gibbs die Copley-medalje van die Royal Society of London ontvang "vir sy bydraes tot wiskundige fisika." Dit is destyds beskou as die hoogste eer wat toegeken kon word deur die internasionale wetenskaplike gemeenskap.
Alhoewel Gibbs se werk byna geheel en al teoreties was, het die praktiese waarde van sy bydraes duidelik geword met die ontwikkeling van industriële chemie tydens die eerste helfte van die 20ste eeu. Volgens Robert A. Millikan het Gibbs wat die suiwer wetenskap betref, "vir statistiese meganika en termodinamika gedoen wat Laplace vir hemelmeganika gedoen het, en Maxwell vir elektrodinamika, naamlik om sy veld van 'n amper voltooide teoretiese struktuur te voorsien."
Biografie Gibbs is in New Haven, Connecticut, gebore, die vierde van vyf kinders en die enigste seun van Josiah Willard Gibbs Sr., en sy vrou Mary Anna (gebore Van Cleve). Hy is aan die Hopkins-skool opgevoed en het in 1854 op 15-jarige ouderdom tot die Yale-kollege toegetree. Op 19-jarige ouderdom, kort na sy studies, is Gibbs opgeneem in die Connecticut Academy of Arts and Sciences, 'n wetenskaplike instelling wat hoofsaaklik uit lede van die Yale-fakulteit bestaan het. Na die dood van sy vader in 1861 het Gibbs genoeg geld geërf om hom finansieel onafhanklik te maak.
Die jong Gibbs het herhalende longprobleme gehad en sy dokters was bekommerd dat hy vatbaar kon wees vir tuberkulose, waaraan sy moeder gesterf het. Hy het ook aan astigmatisme gely, waarvan die behandeling toe nog grotendeels onbekend was by oogkundiges, sodat Gibbs homself moes diagnoseer en sy eie lense moes maak. Gibbs se swak gesondheid en onvolmaakte sig verklaar waarom hy nie in die Amerikaanse Burgeroorlog van 1861–65 geveg het nie.
In 1863 het Gibbs die eerste doktorsgraad in ingenieurswese wat in die VSA toegeken is ontvang, vir 'n proefskrif getiteld "On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing", waarin hy meetkundige tegnieke gebruik het om die optimale ontwerp vir ratte te ondersoek. In 1861 word Yale die eerste Amerikaanse universiteit wat 'n doktorsgraad aanbied en Gibbs was slegs die vyfde persoon in die VSA wat 'n doktorsgraad toegeken is in enige onderwerp.
duimnael|Yale se Sloane Physical Laboratory soos dit in Gibbs se tyd was. Sy kantoor was op die tweede verdieping, regs van die toring op die foto. Na die gradeplegtigheid is Gibbs vir 'n termyn van drie jaar as tutor aan die kollege aangestel waartydens hy Latyn en 'natuurfilosofie' (d.w.s. fisika) doseer het. In 1866 het hy 'n ontwerp vir 'n spoorwegrem gepatenteer en 'n plan voorgestel vir die rasionalisering van die meeteenheidstelsel wat in meganika gebruik word. Nadat sy termyn as tutor geëindig het, het Gibbs saam met sy susters na Europa gereis. Gibbs het lesings bygewoon by die Sorbonne en die Collège de France, gehou deur sulke vooraanstaande wiskundige wetenskaplikes soos Joseph Liouville en Michel Chasles. Daarna het Gibbs na Berlyn gereis en die lesings deur die wiskundiges Karl Weierstrass en Leopold Kronecker en die chemikus Heinrich Gustav Magnus bygewoon. In Heidelberg het Gibbs saam met fisici Gustav Kirchhoff en Hermann von Helmholtz, en die chemikus Robert Bunsen gewerk. Gibbs het in Junie 1869 na Yale teruggekeer en in 1871 word hy aangestel as professor in wiskundige fisika aan Yale, die eerste professorskap in die Verenigde State. Gibbs, wat nog niks gepubliseer het nie, is aangewys om uitsluitlik nagraadse studente te onderrig en is sonder salaris aangestel.
Gibbs het sy eerste werk gepubliseer in 1873 in Transactions of the Connecticut Academy, oor die geometriese voorstelling van termodinamiese hoeveelhede. Hierdie referate het die gebruik van verskillende tipe fasediagramme bekendgestel, in kontras met die meganiese modelle, soos dié wat Maxwell gebruik het om sy elektromagnetiese teorie te konstrueer. Alhoewel daar min lesers in die tydskrif was wat Gibbs se werk kon verstaan, het hy herdrukke aan korrespondente in Europa beskikbaar gestel en het 'n entoesiastiese reaksie van James Clerk Maxwell ontvang. Maxwell het selfs eiehands 'n kleimodel gemaak wat die konstruk van Gibbs illustreer. Daarna het hy twee gipswerke van sy model vervaardig en een aan Gibbs gestuur. Maxwell het 'n hoofstuk oor Gibbs se werk ingesluit in die volgende uitgawe van sy Theory of Heat, wat in 1875 gepubliseer is. Hy het die nut van Gibbs se grafiese metodes in 'n lesing aan die Chemiese Vereniging van Londen uiteengesit en selfs daarna verwys in die artikel oor "Diagramme" wat hy vir die Encyclopædia Britannica geskryf het. Die vooruitsigte op samewerking tussen hom en Gibbs is kortgeknip deur Maxwell se vroeë dood in 1879, op 48-jarige ouderdom. 'n Mening is later in New Haven gelug dat "slegs een man geleef het wat Gibbs se werk kon verstaan. Dit was Maxwell, en nou is hy dood."
Gibbs het sy termodinamiese analise uitgebrei na meerfase chemiese stelsels (dws stelsels wat uit meer as een vorm materie bestaan) en 'n verskeidenheid konkrete toepassings oorweeg. Hy het die navorsing beskryf in 'n werk getiteld "On the Equilibrium of Heterogene Substances", gepubliseer deur die Connecticut Academy in twee dele wat onderskeidelik in 1875 en 1878 verskyn het. Die werk, wat ongeveer driehonderd bladsye beslaan, bevat presies sewehonderd genommerde wiskundige vergelykings en begin met 'n aanhaling van Rudolf Clausius wat uitdrukking gee aan wat later die eerste en tweede wette van Termodinamika genoem sou word: "Die energie van die wêreld is konstant. Die entropie van die wêreld neig na 'n maksimum."
Gibbs se werk het sy termodinamiese tegnieke streng en vernuftig toegepas op die interpretasie van fisies-chemiese verskynsels, wat voorheen 'n menigte geïsoleerde feite en waarnemings was en dit in onderlinge verband gebring het. Die werk is beskryf as die "Principia van Termodinamika" en as 'n werk van "prakties onbeperkte omvang". Dit het die grondslag vir fisiese chemie deeglik gelê. Wilhelm Ostwald, wat van die werk van Gibbs in Duits vertaal het, het na Gibbs verwys as die "stigter van chemiese energetika".
Gibbs het tot 1880 aangehou werk sonder betaling, tot die nuwe Johns Hopkins-universiteit in Baltimore, Maryland, hom 'n pos aangebied het met 'n salaris van $3 000 per jaar. In antwoord hierop het Yale hom 'n jaarlikse salaris van $2 000 aangebied, wat hy tevrede was om te aanvaar.
Van 1880 tot 1884 het Gibbs gewerk aan die ontwikkeling van Hermann Grassmann se algebra tot 'n vektorkalkulus wat geskik is vir die behoeftes van fisici. Vergelykbare werk is omstreeks dieselfde tyd onafhanklik uitgevoer deur die Britse wiskundige fisikus en ingenieur Oliver Heaviside. In die 1890's wou Gibbs ander natuurkundiges oortuig van die gemak van die vektorbenadering, en dit het gelei tot 'n konflik met Peter Guthrie Tait en andere. Gibbs se lesingsnotas oor vektorkalkulus is in 1881 en 1884 privaat gedruk vir die gebruik van sy studente, en is later deur Edwin Bidwell Wilson aangepas in 'n handboek, Vector Analysis, gepubliseer in 1901.
Belangrike wetenskaplike bydraes Chemiese en elektrochemiese termodinamika Gibbs se referate uit die 1870's het die idee geopper om die interne energie U van 'n stelsel uit te druk in terme van die entropie S, benewens die gewone toestandsveranderlikes van volume V, druk p en temperatuur T. Hy het ook die konsep van die chemiese potensiaal van 'n gegewe chemiese spesie gedefinieer as die tempo van die toename in U wat verband hou met die toename in die aantal N molekules van daardie spesie (teen konstante entropie en volume). Dit was gevolglik Gibbs wat die eerste was om die eerste en tweede wette van termodinamika te kombineer deur die infinitesimale verandering in die interne energie, dU, van 'n geslote stelsel uit te druk in die vorm:
waar T die termodinamiese temperatuur is, p die druk is, dS 'n infinitesimale verandering in entropie is en dV 'n infinitesimale volume-verandering is. Die laaste term is die som, oor al die chemiese spesies in 'n chemiese reaksie, van die chemiese potensiaal, , van die spesie i, vermenigvuldig met die infinitesimale verandering in die aantal mol, dNi van daardie spesie. Deur die Legendre-transform van hierdie uitdrukking te neem, het hy die begrippe entalpie, H en Gibbs vrye energie, G, gedefinieer.
Dit vergelyk met die uitdrukking vir Helmholtz vrye energie, A.
As die Gibbs vrye energie vir 'n chemiese reaksie negatief is, sal die reaksie spontaan verloop. As 'n chemiese stelsel in ewewig is, is die verandering in die Gibbs vrye energie nul. 'n Ewewigskonstante hou verband met die vrye energieverandering wanneer die reaktante in hul standaardtoestande is.
Chemiese potensiaal word gewoonlik gedefinieer as gedeeltelike molêre Gibbs vrye energie.
Gibbs het ook wat later bekend gestaan het as die "Gibbs–Duhem-vergelyking", wat die verband tussen veranderinge in chemiese potensiaal vir komponente in 'n termodinamiese stelsel beskryf, verwerf.
In 'n elektrochemiese reaksie wat gekenmerk word deur 'n elektromotoriese krag ℰ en 'n hoeveelheid lading Q wat oorgedra is, word Gibbs se beginvergelyking .
Die publikasie van die artikel "On the Equilibrium of Heterogene Substances" (1874–78) word nou beskou as 'n baken in die ontwikkeling van chemie. Daarin het Gibbs 'n streng wiskundige teorie ontwikkel vir verskillende vervoerverskynsels (die uitruil van massa, energie, lading, momentum en/of hoekmomentum), insluitend adsorpsie, elektrochemie en die Marangoni-effek (die massa-oordrag langs 'n koppelvlak tussen twee vloeistowwe weens oppervlakspanning) in vloeibare mengsels. Hy het ook die fase-reël
geformuleer vir die aantal F veranderlikes wat onafhanklik beheer kan word in 'n ewewigsmengsel van C-komponente wat in P-fases bestaan. Die fasereël is baie nuttig op verskillende gebiede, soos metallurgie, mineralogie en petrologie. Dit kan ook toegepas word op verskillende navorsingsprobleme in fisiese chemie.
Statistiese meganika