Josiah Willard Gibbs
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| J. Willard Gibbs | |
|---|---|
 Josiah Willard Gibbs | |
| Nascido | 11 de fevereiro de 1839 New Haven, Connecticut |
| Morreu | 28 de abril de 1903 (idade 64) New Haven, Connecticut |
| Residência | Estados Unidos |
| Campos | Física , química , matemática |
| Instituições | Universidade de Yale |
| Alma mater | Yale |
| Conselheiro doutoral | Hubert Anson Newton |
| Os estudantes de doutorado | Edwin Bidwell Wilson, Irving Fisher, Henry Bumstead Andrews, Lynde Wheeler, Lee De Forest |
| Conhecido por | Mecânica estatística Conjunto de Estatística Gibbs entropia Espaço de fase Gibbs energia livre Regra fase Paradoxo Gibbs Cálculo vetorial Produto cruzado Fenômeno de Gibbs Equação de Gibbs-Helmholtz Equação de Gibbs-Duhem Algoritmo Gibbs Gibbs medida Estado Gibbs Efeito de Gibbs-Thomson Gibbs isotérmica Gibbs-Donnan efeito Gibbs lema |
| Influências | Rudolf Clausius, Hermann Grassmann, James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann |
| Prêmios Notáveis | Prêmio Rumford (1880), Medalha Copley (1901) |
Assinatura  | |
Josiah Willard Gibbs (11 de fevereiro de 1839 - 28 de abril de 1903) foi um cientista americano que fez importantes contribuições teóricas para a física, química e matemática. Seu trabalho sobre as aplicações da termodinâmica foi fundamental na transformação físico-química em uma ciência dedutiva rigorosa. Juntamente com James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann, ele criou a mecânica estatística (um termo que ele cunhou), explicando as leis da termodinâmica como consequências das propriedades estatísticas de grande conjuntos de partículas. Gibbs também trabalhou na aplicação de equações de Maxwell a problemas em óptica física. Como matemático, ele inventou moderno cálculo vetorial (independentemente do cientista britânico Oliver Heaviside, que realizou um trabalho semelhante no mesmo período).
Em 1863, Yale adjudicado Gibbs o primeiro americano doutorado em engenharia . Depois de uma estada de três anos na Europa, Gibbs passou o resto de sua carreira em Yale, onde foi professor de física matemática desde 1871 até sua morte. Trabalhando em relativo isolamento, ele se tornou o cientista teórico mais antiga nos Estados Unidos para ganhar uma reputação internacional e foi elogiado por Albert Einstein como "a maior mente da história americana". Em 1901 Gibbs recebeu o que era então considerada a mais alta honraria concedida pela comunidade científica internacional, a Medalha do Copley Royal Society of London, "por suas contribuições à física matemática".
Os comentadores e biógrafos têm comentou sobre o contraste entre a calma, a vida solitária de Gibbs na virada do século Nova Inglaterra e do grande impacto internacional das suas ideias. Embora seu trabalho era quase inteiramente teórico, o valor prático das contribuições de Gibbs tornou-se evidente com o desenvolvimento da química industrial durante a primeira metade do século 20. Conforme Robert A. Millikan, na ciência pura Gibbs "fez para a mecânica estatística e termodinâmica para que Laplace fez para a mecânica celeste e Maxwell fez para eletrodinâmica, ou seja, feitas seu campo de uma estrutura teórica terminado quase. "
Biografia
Fundo de família
Gibbs pertencia a uma antiga Yankee família que tinha produzido clérigos e acadêmicos americanos distintos desde o século 17. Ele foi a quarta de cinco filhos eo único filho de Josiah Willard Gibbs e sua esposa Mary Anna, née Van Cleve. Do lado de seu pai, ele era descendente de Samuel Willard, que serviu como agir Presidente da faculdade de Harvard de 1701 a 1707. No lado de sua mãe, um de seus antepassados foi o Rev. Jonathan Dickinson, o primeiro presidente do Colégio de New Jersey (mais tarde Princeton University ). Dado o nome de Gibbs, que compartilhou com seu pai e vários outros membros de sua família extensa, derivado de seu antepassado Josiah Willard, que havia sido secretário do Colônia da Baía de Massachusetts no século 18.
O Gibbs mais velho era geralmente conhecido por sua família e colegas como "Josias", enquanto o filho foi chamado de "Willard". Josiah Gibbs era um lingüista e teólogo que serviu como professor de literatura sagrada em Yale Divinity School de 1824 até sua morte em 1861. Ele é lembrado principalmente como o de hoje abolicionista que encontrou um intérprete para os passageiros africanos do navio Amistad, permitindo-lhes para depor durante o julgamento que se seguiu a sua rebelião contra a ser vendidos como escravos.
Primeiros anos
Willard Gibbs foi educado na Hopkins School e entrou Yale College em 1854, envelhecido 15. Ele se formou em 1858 perto do topo de sua classe, e foi premiado com prêmios de excelência em matemática e latim . Ele permaneceu em Yale como um estudante de pós-graduação na Sheffield Escola Científica. Na idade de 19, logo após sua graduação da faculdade, Gibbs foi empossado na Academia Connecticut das Artes e Ciências, uma instituição acadêmica composta principalmente de membros do corpo docente de Yale.
Relativamente poucos documentos do período sobreviver e é impossível reconstruir os detalhes do início da carreira de Gibbs com precisão. Na opinião dos biógrafos, diretor mentor e campeão de Gibbs, tanto em Yale e na Academia Connecticut, foi, provavelmente, o astrônomo e matemático Hubert Anson Newton, uma das maiores autoridades em meteoros , que permaneceram amigo e confidente de longa data de Gibbs. Após a morte de seu pai em 1861, Gibbs herdou dinheiro suficiente para fazê-lo financeiramente independente. Ele sofria de recorrente problemas pulmonares como um homem jovem e os médicos estavam preocupados que ele possa ser suscetível à tuberculose , que tinha matado sua mãe. Estes problemas e um defeito em sua visão provavelmente explicar por que ele não voluntário para lutar na Guerra Civil de 1861-1865. Ele não era recrutados e ele permaneceu em Yale para a duração da guerra.
Em 1863, recebeu o primeiro Gibbs Ph.D. licenciatura em engenharia concedidos em os EUA, para uma tese intitulada "No formulário dos dentes de Rodas em Spur Engrenagem", em que ele usou técnicas geométricas para investigar o projeto ideal para engrenagens. Este também foi o quinto Ph.D. concedida em os EUA em qualquer assunto. Após a formatura, Gibbs foi nomeado tutor na faculdade por um período de três anos. Durante os dois primeiros anos, ele ensinou latim e durante o terceiro Filosofia Natural (ou seja, a física). Em 1866 ele patenteou um projeto para um freio de trem e ler um papel antes de a Academia Connecticut, intitulado "A magnitude adequada das Unidades de Comprimento", no qual ele propôs um esquema para racionalizar o sistema de unidades de medida utilizadas em mecânica.
Depois de seu mandato como tutor terminou, Gibbs viajou para a Europa com suas irmãs. Eles passaram o inverno de 1866-67 em Paris, onde assistiram a palestras Gibbs no Sorbonne e do Collège de France, ditada por esses cientistas matemáticos ilustres como Joseph Liouville e Michel Chasles. Tendo empreendido um regime punir de estudo, Gibbs pegou um grave frio e um médico, temendo a tuberculose, aconselhou-o a descansar no Riviera, onde ele e suas irmãs passou vários meses e onde ele fez uma recuperação completa.
Movendo-se para Berlim , Gibbs assistiram às palestras ministradas por matemáticos Karl Weierstrass e Leopold Kronecker, bem como pelo químico Heinrich Gustav Magnus. Em agosto de 1867, a irmã de Gibbs Julia casou-se em Berlim para Addison Van Nome, que tinha sido colega de classe de Gibbs na Universidade de Yale. O casal recém-casado retornou a New Haven, deixando Gibbs e sua irmã Anna, na Alemanha. Em Heidelberg, Gibbs foi exposto ao trabalho de físicos Gustav Kirchhoff e Hermann von Helmholtz, e químico Robert Bunsen. Na época, os acadêmicos alemães foram as principais autoridades no campo das ciências naturais, especialmente química e termodinâmica .
Gibbs retornou a Yale em Junho de 1869 e brevemente ensinou francês para estudantes de engenharia. Provavelmente foi também nessa época que ele trabalhava em um novo projeto para uma máquina a vapor governador, sua última investigação significativa em engenharia mecânica. Em 1871 foi nomeado professor de Física Matemática na Universidade de Yale, o primeiro professor nos Estados Unidos. Gibbs, que dispunha de meios independentes e ainda teve que publicar qualquer coisa, foi designado para ensinar os alunos de pós-graduação exclusivamente e foi contratado sem salário. Cargos de ensino unsalaried eram comuns em universidades alemãs, em que o sistema de instrução científica pós-graduação na Universidade de Yale foi então que está sendo modelado.
Meia-idade
Gibbs publicou seu primeiro trabalho em 1873, com a idade extraordinariamente avançada de 34. Seus trabalhos sobre a representação geométrica de quantidades termodinâmicas apareceu nas Transações da Academia Connecticut. Este jornal teve poucos leitores capazes de entender o trabalho de Gibbs, mas ele compartilhou reimpressões com seus correspondentes na Europa e recebeu uma resposta entusiástica de James Clerk Maxwell , na Universidade de Cambridge . Maxwell ainda fez, com suas próprias mãos, um modelo de argila ilustrando construção de Gibbs. Ele, então, produziu três moldes de gesso de seu modelo e enviado um para Gibbs. Esse elenco é em exibição no departamento de física de Yale.
Maxwell incluído um novo capítulo sobre o trabalho de Gibbs na próxima edição da sua teoria do calor, publicado em 1875. Ele explicou a utilidade dos métodos gráficos de Gibbs em uma palestra para o Chemical Society de Londres e mesmo submetida no artigo sobre "Diagramas" que ele escreveu para o Encyclopædia Britannica. A morte prematura de Maxwell em 1879, com a idade de 48, impediu a continuação da colaboração entre ele e Gibbs. A piada mais tarde circulou em New Haven que "apenas um homem viveu que podiam entender os papéis de Gibbs. Isso foi Maxwell, e agora ele está morto."
Gibbs então estendeu a análise termodinâmica para sistemas químicos multi-fase (isto é, para sistemas compostos por mais do que um tipo de matéria) e considerada uma variedade de aplicações concretas. Ele descreveu que a pesquisa em uma monografia intitulada " Sobre o Equilíbrio de Substâncias heterogêneas ", publicado pela Academia Connecticut em duas partes que apareceram respectivamente em 1875 e 1878. Esse trabalho, que abrange cerca de três centenas de páginas e contém exatamente setecentos equações matemáticas numeradas, começa com uma citação de Rudolf Clausius que expressa o que viria a ser chamado a primeira ea segunda leis da termodinâmica: "A energia do mundo é constante A. entropia do mundo tende para um máximo. "
A monografia de Gibbs de forma rigorosa e engenhosamente aplicada suas técnicas termodinâmicas para a interpretação dos fenômenos físico-químicos, explicando e relacionando o que tinha sido anteriormente uma massa de fatos isolados e observações. O trabalho tem sido descrito como "a Principia da termodinâmica "e como uma obra de" alcance praticamente ilimitado ". Wilhelm Ostwald, que traduziu a monografia de Gibbs para o alemão, referido Gibbs como o "fundador da energética químicos". De acordo com os comentaristas modernos,
É universalmente reconhecido que a sua publicação foi um evento de primeira importância na história da química ... No entanto, foi um número de anos antes que seu valor era do conhecimento geral, esse atraso deveu-se em grande parte ao fato de que a sua forma matemática e rigoroso processos dedutivos tornam a leitura difícil para qualquer um, e especialmente para estudantes de química experimental quem dele mais preocupações.- JJ O'Connor e EF Robertson, 1997
Gibbs continuou a trabalhar sem remuneração até 1880, quando a nova Johns Hopkins University, em Baltimore, Maryland ofereceu-lhe uma posição de pagar US $ 3.000 por ano. Em resposta, Yale ofereceu a ele um salário anual de US $ 2.000, que ele estava disposta a aceitar.
Anos mais tarde
De 1880 a 1884, Gibbs trabalhou no desenvolvimento do exterior álgebra de Hermann Grassmann em um cálculo de vetor bem adaptado às necessidades dos físicos. Com este objetivo em mente, Gibbs distinção entre o dot e produtos cruzados de dois vetores e introduziu o conceito de dyadics. Um trabalho semelhante foi realizada de forma independente, e em torno do mesmo tempo, o físico e matemático britânico e engenheiro Oliver Heaviside. Gibbs tentou convencer outros físicos da conveniência da abordagem vectorial sobre o cálculo de quaterniônica William Rowan Hamilton, que foi então amplamente utilizado por cientistas britânicos. Isso o levou, no início da década de 1890, a uma controvérsia com Peter Guthrie Tait e outros nas páginas de Nature.
Notas de aula de Gibbs no cálculo vetorial foram impressas em particular em 1881 e 1884 para o uso de seus alunos, e foram mais tarde adaptado por Edwin Bidwell Wilson em um livro, Análise Vector, publicado em 1901. Esse livro ajudou a popularizar o " notação del ", que é amplamente utilizado hoje em eletrodinâmica e mecânica dos fluidos . Em outro trabalho matemático, ele re-descobriu o " Gibbs fenômeno "na teoria da Série de Fourier (que, sem que ele soubesse e estudiosos posteriores, havia sido descrita 50 anos antes por um matemático Inglês obscuro, Henry Wilbraham).
De 1882 a 1889, Gibbs escreveu cinco trabalhos em óptica física, no qual ele investigadas birefringence e outros fenômenos ópticos e defendeu teoria eletromagnética de Maxwell da luz contra as teorias mecânicas do Lord Kelvin e outros. Em seu trabalho sobre óptica, tanto como em seu trabalho sobre termodinâmica, Gibbs deliberadamente evitou especular sobre a estrutura microscópica da matéria, que provou ser um sábio curso tendo em vista os desenvolvimentos revolucionários na mecânica quântica , que começou por volta da época de sua morte.
Gibbs cunhou a mecânica estatística prazo e introduziu conceitos-chave na descrição matemática correspondente de sistemas físicos, incluindo as noções de potencial químico (1876), conjunto estatística (1878), e espaço de fase (1902). Derivação das leis fenomenológicas da termodinâmica das propriedades estatísticas de sistemas com muitas partículas de Gibbs foi apresentada em seu altamente influente de livros didáticos elementares princípios em Mecânica Estatística, publicado em 1902, um ano antes de sua morte.
Aposentando personalidade de Gibbs e intenso foco em seu trabalho limitou sua acessibilidade para os alunos. Seu principal protégé era Edwin Bidwell Wilson, que, no entanto, explicou que "exceto na sala de aula eu vi muito pouco de Gibbs. Ele tinha um jeito, para o fim da tarde, de dar um passeio pelas ruas entre seu estudo na antiga Sloane Laboratório e sua home-um pouco de exercício entre trabalho e jantar-e pode-se ocasionalmente se deparar com ele naquele momento. " Gibbs fez supervisionar a tese de doutorado sobre economia matemática escritos por Irving Fisher em 1891. Após a morte de Gibbs, Fisher financiou a publicação de suas obras completas. Outro estudante foi distinguido Lee De Forest, depois, um pioneiro da tecnologia de rádio.
Gibbs morreu em New Haven, com idades de 64, vítima de uma obstrução intestinal aguda. Ele está enterrado no Grove Street Cemetery.
Vida pessoal e de caráter
Gibbs nunca se casou, vivendo toda a sua vida em sua casa de infância com sua irmã Julia e seu marido Addison Van nome, que era o bibliotecário Yale. Exceto para as férias de verão habituais no Adirondacks (em Keene Valley, Nova York) e mais tarde no Montanhas Brancas (em Intervale, New Hampshire), sua estada na Europa em 1866-1869 foi quase a única vez que Gibbs gasto fora New Haven. Ele se juntou a faculdade Igreja de Yale (a Igreja Congregacional) no final do seu primeiro ano e permaneceu um atendente regular para o resto de sua vida. Ele geralmente votou a favor da Candidato republicano nas eleições presidenciais, mas ele apoiou Grover Cleveland , um conservador Democrata. Caso contrário, muito pouco se sabe de suas opiniões religiosas ou políticas, que ele guardava para si.
Gibbs não produziu uma correspondência pessoal substancial e muitas de suas cartas mais tarde foram perdidos ou destruídos. Além dos escritos técnicas relativas suas pesquisas, ele publicou apenas duas outras peças: uma breve obituário de Rudolf Clausius, um dos fundadores da teoria matemática da termodinâmica, e um livro de memórias mais biográfico de seu mentor em Yale, HA Newton. Na visão de Edward Bidwell Wilson,
Gibbs não era um anunciante para a fama pessoal nem um propagandista para a ciência; ele era um estudioso, descendente de uma antiga família acadêmica, vivendo antes dos dias quando a pesquisa se tornaram pesquisa ré ... Gibbs não era uma aberração, ele não tinha formas marcantes, ele era um cavalheiro gentilmente digna.- EB Wilson, 1931
Conforme Lynde Wheeler, que tinha sido aluno de Gibbs na Universidade de Yale, em seus últimos anos Gibbs
estava sempre bem vestido, geralmente usava um chapéu de feltro na rua, e nunca exibiram qualquer um dos maneirismos físicos ou excentricidades às vezes pensado para ser inseparável do gênio ... Sua maneira foi cordial sem ser efusivo e transmitiu claramente a simplicidade inata e sinceridade de sua natureza.- Lynde Wheeler, 1951
Ele era um investidor cuidadoso e gerente financeiro, e em sua morte, em 1903, sua propriedade foi avaliada em US $ 100.000. Por muitos anos ele atuou como administrador, secretário e tesoureiro de sua alma mater, a Escola Hopkins. Presidente dos EUA, Chester A. Arthur apontou-o como um dos comissários para a Conferência Nacional de Eletricistas, que se reuniu na Filadélfia em setembro de 1884, e Gibbs presidiu uma das suas sessões. Um cavaleiro afiado e habilidoso, Gibbs foi visto habitualmente em New Haven condução de sua irmã carruagem. Em um obituário publicado no American Journal of Science, ex-aluno de Gibbs Henry A. Bumstead referido caráter pessoal de Gibbs:
Sem pretensões de forma, genial e gentilmente em seu trato com os seus semelhantes, nunca mostrando impaciência ou irritação, desprovido de ambição pessoal do vadios ou a menor vontade de exaltar-se, ele ia muito para realizar o ideal da altruísta, cavalheiro cristão. Nas mentes de quem o conhecia, a grandeza de suas realizações intelectuais nunca vai ofuscar a beleza ea dignidade de sua vida.-HA Bumstead de 1903
As principais contribuições científicas
Termodinâmica química
Os papéis de Gibbs da década de 1870 apresenta a ideia de expressar o L energia interna de um sistema em termos de entropia S, para além da habitual Estado-variáveis de volume V, a pressão p e temperatura T. Ele também introduziu o conceito de potencial químico 
de uma determinada espécie química, definida como sendo a taxa do aumento em L associada com o aumento do número N de moléculas da referida espécie (a entropia constante e volume). Assim, foi primeiro combinado de Gibbs que o primeiro e segundo leis da termodinâmica apresentando a variação infinitesimal na energia de um sistema na forma:
onde a soma no último termo é sobre as diferentes espécies químicas. Ao tomar o Legendre transformar dessa expressão, ele definiu os conceitos de entalpia e "energia livre", incluindo o que agora é conhecido como a " energia livre de Gibbs "(a potencial termodinâmico que é especialmente útil para os químicos, uma vez que determina se uma reacção prosseguirá espontaneamente a uma temperatura fixa e pressão). De forma semelhante, ele também obteve o que mais tarde veio a ser conhecido como o " Equação de Gibbs-Duhem ".
A publicação do artigo "Sobre o Equilíbrio de Substâncias heterogêneos" (1874-1878) é agora considerado como um marco no desenvolvimento de química física. Nele, Gibbs desenvolveu uma teoria matemática rigorosa para a vária fenômenos de transporte, incluindo adsorção, eletroquímica, eo Efeito de Marangoni em misturas fluidas. Ele também formulou a regra fase
para o número M de variáveis que podem ser controladas, independentemente, em uma mistura de equilíbrio dos componentes existentes em C P fases . A consciência desta regra levou ao uso generalizado de diagramas de fase por químicos.
Mecânica estatística
Juntamente com James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann, Gibbs é considerado um dos fundadores da mecânica estatística. Foi Gibbs, que cunhou o termo "mecânica estatística" para identificar o ramo da física teórica que contabiliza as propriedades termodinâmicas observadas de sistemas em termos de estatísticas de grandes conjuntos de partículas. Ele introduziu o conceito de espaço de fase e é usado para definir o microcanónico, canônico, e grandes ensembles canônicos, obtendo-se assim uma formulação mais geral das propriedades estatísticas de sistemas de muitos de partículas do que o que Maxwell e Boltzmann tinha conseguido antes.
Conforme Henri Poincaré, escrita em 1904, apesar de Maxwell e Boltzmann tinha explicado anteriormente a irreversibilidade dos processos físicos macroscópicos em termos probabilísticos, "aquele que tem visto mais claramente, em um livro de leitura muito pouco, porque é um pouco difícil de ler, é Gibbs, em seus princípios elementares de mecânica estatística." A análise de Gibbs de irreversibilidade, e sua formulação de Boltzmann H-teorema e do hipótese ergódica, foram as principais influências sobre a física matemáticos do século 20.
Gibbs, estava ciente de que a aplicação do equipartition teorema de grandes sistemas de partículas clássicas não conseguiu explicar as medições da calores específicos de ambos os sólidos e gases, e ele argumentou que esta era uma evidência do perigo de basear termodinâmica em "hipóteses sobre a constituição da matéria". Quadro próprio de Gibbs para a mecânica estatística foi tão cuidadosamente construído que poderia ser realizada ao longo de quase intacta após a descoberta de que as leis microscópicas da natureza obedecem a regras quânticas, em vez de as leis clássicas conhecidas por Gibbs e seus contemporâneos. Sua resolução do chamado " Gibbs paradoxo ", sobre a entropia da mistura de gases, agora é frequentemente citado como uma prefiguração da indistinguibilidade de partículas exigidos pela física quântica.
Análise vetorial
Cientistas britânicos, incluindo Maxwell, se baseou em quaternions de Hamilton, a fim de expressar a dinâmica de quantidades físicas, como os campos elétricos e magnéticos, tendo ambos uma magnitude e uma direção no espaço tridimensional. Gibbs, no entanto, notar-se que o produto de quatérnions sempre teve de ser separada em duas partes: uma (escalar) quantidade unidimensional e um tridimensional vector , de modo que o uso de quatérnions introduzido complicações matemáticas e redundâncias que poderiam ser evitados em Por razões de simplicidade e para facilitar o ensino. Ele, portanto, propôs a definição de ponto cruz e produtos distintos para os pares de vetores e introduziu a notação agora comum para eles. Ele também foi o grande responsável pelo desenvolvimento das cálculo vetorial técnicas que ainda são utilizados hoje em eletrodinâmica e mecânica dos fluidos.
Enquanto ele estava trabalhando em análise vetorial no final dos anos 1870, Gibbs descobriu que sua abordagem foi semelhante à que Grassmann tinha tomado em sua "álgebra múltipla". Gibbs, em seguida, procurou divulgar o trabalho de Grassmann, sublinhando que era tanto mais geral e historicamente antes da álgebra quaterniônica de Hamilton. Para estabelecer a prioridade de Grassmann, Gibbs convenceu os herdeiros de Grassmann para buscar a publicação na Alemanha do ensaio sobre marés que Grassmann tinha apresentado em 1840 à faculdade na Universidade de Berlim, onde ele havia introduzido pela primeira vez a noção do que viria a ser chamado de um espaço vetorial .
Como Gibbs tinha defendido nos anos 1880 e 1890, quaternions foram eventualmente praticamente abandonada pelos físicos a favor da abordagem vectorial desenvolvido por ele e, independentemente, por Oliver Heaviside. Gibbs aplicou seus métodos de vetor para a determinação do planetário e cometa órbitas. Ele também desenvolveu o conceito de tríades mutuamente recíprocas de vetores que mais tarde provou ser de importância na cristalografia.
Óptica física
Embora a pesquisa de Gibbs na óptica física é menos conhecido hoje do que seus outros trabalhos, ele fez uma contribuição significativa para a clássica do eletromagnetismo , aplicando as equações de Maxwell para a teoria de processos ópticos, como birefringence, dispersão, e actividade óptica. Neste trabalho, Gibbs mostrou que estes processos poderiam ser explicados por equações de Maxwell, sem quaisquer suposições especiais sobre a estrutura microscópica da matéria ou sobre a natureza do meio em que as ondas electromagnéticas foram deve propagar (o chamado éter luminoso ). Gibbs também salientou que a ausência de um onda eletromagnética longitudinal, que é necessário para dar conta das propriedades observadas de luz , é automaticamente garantida pelas equações de Maxwell (em virtude do que hoje é chamado o seu " avaliar a invariância "), enquanto que nas teorias mecânicas de luz, tais como Lord Kelvin do, deve ser imposta como condição ad hoc sobre as propriedades do éter.
Em seu último trabalho sobre óptica física, Gibbs concluiu que
pode ser dito para a teoria elétrica [de luz] que não é obrigado a inventar hipóteses, mas apenas aplicar as leis fornecidos pela ciência da eletricidade, e que é difícil explicar as coincidências entre as propriedades elétricas e ópticas dos meios de comunicação, a menos que nós consideramos os movimentos de luz, como elétrica.-JW Gibbs, 1889
Pouco tempo depois, a natureza electromagnética de luz foi conclusivamente demonstrado pelas experiências de Heinrich Hertz na Alemanha.
Reconhecimento científico
Gibbs trabalhou num momento em que havia pouca tradição de ciência teórica rigorosa nos Estados Unidos. Sua pesquisa não foi fácil compreensão para os seus alunos ou seus colegas e ele não fez nenhum esforço para popularizar suas idéias ou para simplificar a sua exposição para torná-los mais acessíveis. Sua obra seminal sobre termodinâmica foi publicado principalmente nas Transações da Academia Connecticut, um jornal editado por seu bibliotecário irmão-de-lei, que foi pouco lido nos EUA e ainda menos na Europa. Quando Gibbs apresentou o seu longo artigo sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas para a Academia, tanto Elias Loomis e HA Newton protestou, dizendo que eles não entendiam o trabalho de Gibbs em tudo, mas eles ajudaram a levantar o dinheiro necessário para pagar a composição das muitas equações e símbolos matemáticos no papel. Os fundos para a finalidade foram contribuíram tanto pelos membros da universidade e por homens de negócios e profissionais locais em New Haven.
Mesmo se tivesse sido imediatamente abraçado por Maxwell, formulação gráfica de Gibbs das leis da termodinâmica só entrou em uso generalizado em meados do século 20, graças ao trabalho de László Tisza e Herbert Callen. De acordo com James Gerald Crowther,
em seus últimos anos [Gibbs] era um cavalheiro alto e digno, com um tranco saudável e compleição forte, realizando a sua parte das tarefas domésticas, acessível e tipo (se ininteligível) para os alunos. Gibbs era muito estimado por seus amigos, mas a ciência americana estava muito preocupado com questões práticas para fazer muito uso de seu profundo trabalho teórico durante sua vida. Ele viveu a sua vida tranquila em Yale, profundamente admirado por alguns alunos capazes, mas não fazendo nenhuma impressionar imediato sobre proporcional ciência americana com sua genialidade.- JG Crowther, 1937
Por outro lado, Gibbs tenha recebido as honras então possível para um cientista acadêmico em os EUA. Ele foi eleito para o Academia Nacional de Ciências em 1879 e recebeu o 1880 Prémio Rumford do Academia Americana de Artes e Ciências por seu trabalho em termodinâmica química. Ele também foi concedido doutoramentos honoris causa pela Universidade de Princeton e Colégio Williams.
Na Europa, Gibbs foi empossado como membro honorário da London Mathematical Society em 1892 e como membro estrangeiro da Royal Society em 1897. Ele foi eleito membro correspondente da Prussiano e Francês Academias de Ciências e recebeu doutorados honorários das universidades de Erlangen e Christiania (atual Oslo). A Royal Society homenageado ainda mais Gibbs em 1901 com o Medalha Copley, então considerado o maior prêmio internacional nas ciências naturais, observando que ele tinha sido "o primeiro a aplicar a segunda lei da termodinâmica para a discussão exaustiva da relação entre química, energia elétrica e térmica e capacidade para o trabalho externo. " Gibbs, que permaneceu em Yale, foi representado na cerimônia de premiação pelo Comandante Richardson Clover, o adido naval norte-americana em Londres.
Em sua autobiografia, matemático Gian-Carlo Rota fala de casualmente visitando os matemáticos de pilhas Sterling Biblioteca e tropeçando em uma lista escrita à mão, ligado a algumas das notas do curso de Gibbs, que listaram mais de duzentos cientistas notáveis de seu tempo, incluindo Poincaré, Boltzmann, David Hilbert , e Ernst Mach. Deste Rota concluiu que o trabalho de Gibbs era mais conhecido entre a elite científica do seu dia do que o material publicado sugere. Lynde Wheeler reproduz essa lista de discussão em um apêndice para sua biografia de Gibbs. Isso Gibbs conseguiu interessante seus correspondentes europeus em seu trabalho é demonstrado pelo fato de que sua monografia "Sobre o Equilíbrio de Substâncias heterogêneas" foi traduzido para o alemão (então a linguagem de liderança para a química) por Wilhelm Ostwald em 1892 e para o francês por Henri Louis Le Châtelier em 1899.
Influência
Influência mais imediato e óbvio de Gibbs estava em físico-química e mecânica estatística, duas disciplinas que ele ajudou muito a fundar. Durante a vida de Gibbs, seu governo fase foi validada experimentalmente pelo químico holandês HW Bakhuis Roozeboom, que mostrou como aplicá-lo em uma variedade de situações, garantindo-lhe, assim, de uso generalizado. Em química industrial, termodinâmica de Gibbs encontrou muitas aplicações durante o início do século 20, a partir de eletroquímica para o desenvolvimento do Haber processo para a síntese de amoníaco .
Quando o físico holandês JD van der Waals 1910 recebeu o Prêmio Nobel "por seu trabalho sobre a equação de estado para gases e líquidos ", ele reconheceu a grande influência da obra de Gibbs sobre o assunto. Max Planck recebeu o Prêmio Nobel 1918 por seu trabalho sobre a mecânica quântica, em particular o seu papel em 1900 A lei de Planck para quantificado radiação de corpo negro. Esse trabalho foi baseado em grande parte a termodinâmica da Kirchhoff, Boltzmann e Gibbs.Planck declarou que o nome de Gibbs "não só na América, mas em todo o mundo nunca vai ser contado entre os físicos teóricos mais renomados de todos os tempos."
A primeira metade do século 20 viu a publicação de dois livros influentes que logo passou a ser considerado como fundador documentos de termodinâmica química, sendo que ambos utilizados e ampliados trabalho de Gibbs nesse campo: estes eram Termodinâmica e Energia Livre de Processos Químicos ( 1923), por Gilbert N. Lewis e Merle Randall, e moderna termodinâmica pelos métodos de Willard Gibbs (1933), por Edward A. Guggenheim. Sob a influência de Lewis, William Giauque (que tinha originalmente queria ser um engenheiro químico) passou a se tornar um professor de química em Berkeley e ganhou o 1949 Prêmio Nobel de Química por suas investigações sobre as propriedades da matéria em temperaturas perto de absoluta zero, estudos orientados pela terceira lei da termodinâmica .
O trabalho de Gibbs em ensembles estatísticos, tal como apresentado em seu livro de 1902, teve um grande impacto tanto na física teórica e em matemática pura. Inicialmente desconhecem as contribuições de Gibbs nesse campo, Albert Einstein escreveu três artigos sobre mecânica estatística, publicados entre 1902 e 1904. Depois de ler livro de Gibbs (que foi traduzido para o alemão por Ernst Zermelo em 1905), Einstein declarou que o tratamento de Gibbs foi superior ao seu possuir e explicou que ele não teria escrito os papéis se ele tivesse conhecido o trabalho de Gibbs. De acordo com o físico matemático Arthur Wightman:
É uma das características marcantes da obra de Gibbs, notado por todos os alunos da termodinâmica e mecânica estatística, que as suas formulações de conceitos físicos estavam tão felicitously escolhido que eles sobreviveram 100 anos de desenvolvimento turbulento em física teórica e matemática.- AS Wightman, 1990
Primeiros trabalhos de Gibbs sobre a utilização de métodos gráficos em termodinâmica refletem uma compreensão poderosamente original do que os matemáticos mais tarde chamaria de " análise convexo ", incluindo idéias que, de acordo com Barry Simon, "permanecem dormentes por cerca de 75 anos". Conceitos matemáticos importantes com base no trabalho de Gibbs em termodinâmica e mecânica estatística incluir o lema Gibbs na teoria dos jogos , a desigualdade Gibbs e algoritmo de Gibbs na teoria da informação, bem como a amostragem de Gibbs em estatística computacional.
O desenvolvimento de cálculo vetorial foi outra grande contribuição de Gibbs para a matemática.A publicação em 1901 do livro de EB WilsonAnálise Vector, baseado em palestras de Gibbs na Universidade de Yale, fez muito para propagar o uso de métodos e notação vectorial em matemática e física teórica, definitivamente deslocando os quaternions que tinham até então sido dominante na literatura científica .
Em Yale, Gibbs também foi o mentor de Lee De Forest, que passou a inventar para o amplificador triodo e tem sido chamado de "pai do rádio". De Forest creditado influência de Gibbs para a realização "que os líderes no desenvolvimento elétrica seriam aqueles que perseguiu o maior teoria de ondas e oscilações ea transmissão por estes meios de inteligência e poder. " Outro estudante de Gibbs, que desempenhou um papel significativo no desenvolvimento da tecnologia de rádio foi Lynde Wheeler.
Gibbs também teve uma influência indireta sobre economia matemática. Ele supervisionou a tese de Irving Fisher, que recebeu o primeiro Ph.D. em economia pela Yale em 1891. Nesse trabalho, publicado em 1892 como investigações matemáticas na teoria do valor e preços , Fisher desenhou uma analogia direta entre equilíbrio Gibbsian em sistemas físicos e químicos, eo equilíbrio geral dos mercados, e ele usou de Gibbs notação vectorial. Protegé de Gibbs Edwin Bidwell Wilson tornou-se, por sua vez, um mentor para o economista americano e Prêmio Nobel Paul Samuelson. Em 1947, Samuelson publicou Foundations of Economic Analysis , baseado em sua tese de doutorado, em que ele usou como epígrafe uma observação atribuída a Gibbs: ". A matemática é uma linguagem" Samuelson explicou mais tarde que em seu entendimento dos preços de suas "dívidas não foram principalmente para Pareto ou Slutsky, mas para a grande termodinâmica, Willard Gibbs de Yale. "
Por sua parte, o matemático Norbert Wiener citados uso de Gibbs de probabilidade na formulação da mecânica estatística como "a primeira grande revolução da física do século XX" e como uma grande influência sobre a sua concepção de cibernética. Wiener explicado no prefácio de seu livro O Uso Humano de Seres Humanos que foi "dedicado ao impacto do ponto de vista Gibbsian sobre a vida moderna, tanto através das alterações substantivas que ela fez para a ciência de trabalho, e através das mudanças que tem feita de forma indireta em nossa atitude para com a vida em geral. "
Comemoração
Quando o físico-químico alemão Walther Nernst visitou Yale em 1906 para dar a palestra Silliman, ele ficou surpreso ao descobrir que não havia memorial tangível para Gibbs. Ele, portanto, doou seu $ 500 taxa de palestra para a universidade para ajudar a pagar por um monumento adequado, que foi finalmente revelado em 1912 sob a forma de um bronze baixo-relevo do escultor Lee Lawrie, instalado na Sloane Laboratório de Física. Em 1910, o American Chemical Society estabeleceu o Medalha Willard Gibbs, por iniciativa de William A. Converse, ex-presidente e secretário da Seção de Chicago. O American Mathematical Society dotou a Josiah Willard Gibbs Lectureship em 1923 para aumentar a consciência pública da matemática e suas aplicações.
Em 1945, a Universidade de Yale criou a Cátedra J. Willard Gibbs em Química Teórica, realizada até 1973 por Lars Onsager, que ganhou o Prêmio Nobel 1968 em Química. (Onsager, como Gibbs, trabalhou principalmente sobre a aplicação de novas idéias matemáticas para problemas em química física.) De Yale Josiah Willard Gibbs Laboratories ea sua J. Willard Gibbs professor assistente em matemática também são nomeados em sua honra, ea universidade já recebeu dois simpósios dedicados à vida e obra de Gibbs, um em 1989 e outro sobre o centenário de sua morte, em 2003. Rutgers University tem uma J. Willard Gibbs Professorship de Termomecânica, atualmente realizada por Bernard D. Coleman.
Em 1950, Gibbs foi eleito para oHall da Fama para Grandes americanos. O Marinha dos Estados Unidos navio de pesquisa oceanográficaUSNSJosiah Willard Gibbs(T-AGOR-1), em serviço 1958-1971, foi nomeado para Gibbs. O Gibbs cratera, localizado perto do membro oriental daLua, foi nomeado em sua honra em 1964.
EA Guggenheim introduziu o símboloGpara a energia livre de Gibbs, em 1933, eo mesmo símbolo foi usado também porDirk ter Haar em 1966. Esta notação é agora universal e é recomendado pelo IUPAC.Em 1960, William Giauqueet al.sugeriram a utilização do nome "gibbs" (GBS abreviada.) para a unidade de entropia,calorias /Kelvin, mas esse uso não se tornou comum e da correspondenteunidade SI,Joule / Kelvin, não carrega nenhum nome especial.
Na literatura
Em 1909, o historiador americano e romancista Henry Adams terminou um ensaio intitulado "O Estado de Fase Aplicadas à História", no qual ele buscou aplicar regra das fases de Gibbs e outros conceitos termodinâmicos a uma teoria geral da história humana. William James, Henry Bumstead , e outros criticaram tanto tênue de Adams dos conceitos científicos que ele invocados, bem como a arbitrariedade de sua aplicação desses conceitos como metáforas para a evolução do pensamento humano e da sociedade. O ensaio permaneceu inédito até que apareceu postumamente em 1919, em A Degradação do Dogma Democrática , editada pelo irmão mais novo de Henry Adams Brooks.
Na década de 1930, o poeta feminista Muriel Rukeyser ficou fascinado com Willard Gibbs e escreveu um longo poema sobre sua vida e obra ("Gibbs", incluído na coleção A Rodar Vento , publicado em 1939), bem como uma biografia livro de comprimento ( Willard Gibbs , 1942). De acordo com Rukeyser:
Willard Gibbs é o tipo da imaginação no trabalho no mundo. Sua história é a de uma abertura que teve seu efeito sobre nossas vidas e nosso pensamento; e, parece-me, é o emblema da chama-se abstrato e pouco prático que-imaginação nu, mas cujas descobertas pode ser usado por quem está interessado, seja qual for "campo" imaginação -uma que para mim, mais do que isso de qualquer outra figura no pensamento americano, qualquer poeta, ou político, ou figura religiosa, fica para a imaginação em seus pontos essenciais.- Muriel Rukeyser de 1949
Em 1946, Fortune revista ilustrada uma reportagem de capa sobre "Ciência Fundamental", com uma representação da superfície termodinâmico que Maxwell tinha construído com base na proposta da Gibbs. Rukeyser tinha chamado esta superfície uma "estátua de água" ea revista viu nele "a criação abstrata de um grande cientista americano que se presta ao simbolismo das formas de arte contemporânea." A obra de arte por Arthur Lidov também incluiu a expressão de Gibbs matemática da regra das fases de misturas heterogéneas, bem como um radar tela, uma forma de onda osciloscópio, de Newton maçã, e uma pequena versão de um diagrama de fases tridimensional.
O sobrinho de Gibbs, Gibbs Ralph Van Nome, um professor de química física em Yale, estava descontente com a biografia de Rukeyser, em parte por causa de sua falta de formação científica. Van Nome tinha retido os documentos da família dela e, depois que seu livro foi publicado em 1942 e literárias mas mistos avaliações científicas positivas, ele tentou incentivar ex-alunos de Gibbs para produzir um novo e mais orientada tecnicamente biografia. Com seu apoio, Lynde Wheeler publicou um tal trabalho em 1951.
Ambos de Gibbs e Rukeyser biografia dele figurar com destaque na coleção de poesia True North (1997) por Stephanie Strickland. Na ficção, Gibbs aparece como o mentor de Kit caráter Traverse no romance de Thomas Pynchon Against the Day (2006). Esse romance também discute proeminente o birefringence de Islândia Spar, um fenômeno óptico que Gibbs investigado.
Gibbs selo (2005)
Em 4 de maio de 2005, a United States Postal Service emitiu o Cientistas Americanos comemorativo selo postal série projetado pelo artista Victor Stabin, descrevendo Gibbs, John von Neumann , Barbara McClintock, e Richard Feynman . Kenneth R. Jolls, professor de engenharia química na Universidade do Estado de Iowa e especialista em métodos gráficos em termodinâmica, consultados sobre o projeto do selo em homenagem Gibbs. O selo identifica Gibbs como um "termodinâmica" e apresenta um diagrama da 4ª edição do Maxwell teoria do calor , publicado em 1875, que ilustra a superfície termodinâmico de Gibbs para a água. Microimpressão sobre o colar do retrato de Gibbs retrata a sua equação matemática original para a mudança na energia de uma substância em termos de sua entropia e as outras variáveis de estado.
Esboço de Trabalho Principal
- Química física:a energia livre,diagrama de fases,regra das fases,fenômenos de transporte
- Mecânica estatística:conjunto de estatísticas,espaço de fase,potencial químico,Gibbs entropia, Paradoxo Gibbs
- Matemática: Análise Vector,análise convexa, Fenômeno de Gibbs
- Eletromagnetismo:as equações de Maxwell,birefringence
