GIBBS, Josiah Willard (1839-1903)
ABD’li kuramsal fizikçi ve kimyacı. Çağdaş termodinamiğin ve istatistik mekaniğin kimya ve fizikte kullanım alanlarını genişleten temel çalışmalarıyla tanınmıştır.
11 Şubat 1839’da Connecticut Eyaleti’nin New Haven kentinde doğdu, 28 Nisan 1903’te aynı kentte öldü. Yale College’da oldukça başarılı öğrenciliği sırasında matematik ve Latince okuyan Gibbs, yeni başlatılan lisansüstü eğitim programına girerek, 1858’de Yale’de verilen ilk doktorayı aldı. Üç yıl Yale’de Latince ve doğa felsefesi konularında öğretim yardımcılığı yaptıktan sonra, 1866’da üç yıl süren bir Avrupa gezisine çıktı. Paris, Berlin ve Heidelberg’deki üniversitelerde matematik ve fizik derslerini izledi. 1871’de Yale’de ilk matematiksel fizik profesörü olarak atanan, ancak kendine bir ücret ödenmeyen Gibbs, ailesinden kalan ufak bir servetten yararlanarak bu görevi dokuz yıl ücretsiz olarak sürdürdü. Ancak 1880’de yeni kurulan Johns Hopkiııs Üniver-sitesi’nden aldığı bir öneri üzerine Yale kendisine ufak bir maaş bağladı. Hiç evlenmeyen ve kızkardeşleriyle birlikte yaşayan Gibbs, yaz tatilleri ve konferanslar nedeniyle çıktığı geziler dışında yaşamının geri kalan bölümünü tümüyle New Haven’de geçirdi. ABD’nin 19. yy’da yetiştirdiği en önemli bilim adamlarından biri olmasına karşın, kendi ülkesinden çok Avrupa’da tanınan Gibbs, çeşitli ödüllerin yanı sıra, Royal Society’nin Copley, ABD Sanat ve Bilimler Akademi-si’nin de Rumford madalyasını aldı.
İlk çalışmaları mühendislik alanında ve uygulamaya yönelik olan Gibbs, doktora tezini dişli takımların tasarımı üstüne yaptı. 1866’da da tren vagonları için tasarladığı yeni bir frenin patentini aldı. Daha sonra Watt’ın geliştirdiği buhar makinelerindeki düzenleyicinin duyarlılığını artıran bir tasarım üstüne çalışan Gibbs, ünlü matematikçi ve fizikçilerin derslerini izlemeye olanak bulduğu Avrupa gezisinden sonra kuramsal araştırmalara ağırlık vererek, yaşamının sonuna değin üzerinde çalışacağı ve değerli katkıda bulunacağı termodinamiğe ve istatistik mekaniğe yöneldi.
Gibbs termodinamik konusundaki ilk önemli çalışmasında Clausius’un tanımladığı “entropi” kavramını, Mayer, Rumford ve Joule’un katkılarıyla geliştirilen termodinamiğin birinci yasasında (ilkesinde) kullanarak, kimyasal ve fiziksel sistemlerin termodinamik “durum”Iarının matematiksel analizini kolaylaştırdı. Clausius, termodinamiğin ikinci yasasını, evrenin enerjisi sabit kalırken, entropisinin sürekli arttığı biçiminde ele alırken, entropiyi, sistemin alıp verdiği ısı miktarını, bu alışverişin yeraldığı mutlak sıcaklığa bölerek tanımlamıştı. Isı ile mekanik enerjinin eşdeğerliliğini ortaya koyan termodinamiğin ilk yasası ise, ısı ile sıcaklık arasındaki farklılığın da bir göstergesidir. Gibbs, termodinamiğin birinci yasasının matematiksel tanımındaki ısı miktarının yerine entropiyi yerleştirdi. Böylelikle birinci yasa cismin içinde bulunduğu herhangi bir durumu belirleyen, hacim, basınç, sıcaklık, entropi ve iç enerji gibi değişmelerin biçiminden bağımsız parametreleri içeren bir tanıma kavuştu. Bu biçimiyle birinci yasa, genellikle iç enerjisindeki değişmeyi, entropi ve hacim değişmelerine bağlayacak şekilde yazılır. Gibbs yasanın bu tanımından yararlanarak, çevrimsel süreçlerin incelenmesinde entropi-sıcaklık eğrilerinin James Watt’ın ısı makinelerinin çalışmasını özetleyen basınç-hacim eğrilerinden daha yararlı olduğunu gösterdi. Yasanın bu tanımının, iki boyutta eğrilerin, üç boyutta da yüzeylerin davranışıyla olan ilgisini kestirdi. 1873’teki ilk makalesinde iki boyutlu geometrik özelliklerden yararlanarak, saf bir maddenin belirli bir termodinamik fazda (katı, sıvı ya da gaz) gösterdiği davranışları inceledi. Aynı yılın sonuna doğru ikinci makalesinde koordinatları entropi, iç enerji ve hacim olarak tanımlanan bir yüzeyin, bir maddenin her üç fazının da tek tek ve karışım durumundaki termodinamik özelliklerini verebileceğini gösterdi.
Gibbs 1878’de yazdığı ve genellikle termodinamiğe en değerli katkısı olarak kabul edilen uzun bir makalede, termodinamiğe kapsayabileceği her türlü madde ve süreç için geçerli bir biçim verdi. Önceki çalışmalarında olduğu gibi bu makalesinde de hareket noktası, belirli bir süreç içinde enerji ve iş alışverişini hesaplamak yerine, basit sistemlerin termodinamik denge durumlarını belirleyen özellikleri araştırmaktı. Termodinamiğin kapsamını kimyasal ve elektromanyetik olguları da içerecek biçimde genişlettiği bu çalışmasının sonucunda, enerjisi sabit bir sistemde dengenin, entropi en büyük değeri aldığında oluştuğu ortaya çıktı.
Gibbs vardığı sonuçları kimyasal tepkimelerin de oluşabileceği madde karışımlarına uygulayabilmek için termodinamiğin birinci yasasının tanımına kimyasal değişimlerin etkisini katmak amacıyla yeni bir terim dizisi ekledi. Burada her maddenin değişim miktarı molekül-gramının değişimiyle gösterilirken, ilgili terimin katsayısıyla da termodinamiğe “kimyasal potansiyel” kavramını getirmiş oluyordu. Bu çalışmasından kalkarak birkaç kimyasal bileşen ve birkaç faz içeren sistemlerdeki basınç, ısı, vb. bağımsız değişkenlerin sayısını veren ünlü “faz kuralını” ortaya koydu. Ölçülebilen kimyasal potansiyellerin yardımıyla, bir tepkimedeki tüm molekül türlerinin her birinden kaç tane olduğunu belirten denge katsayılarının, termodinamik denge hesaplarıyla bulunabileceğini gösterdi. Gibbs’in bu sonuçlarını Wilhelm Ostwald, kimyanın gelecekteki biçim ve içeriğini belirleyecek bir çalışma olarak değerlendirmiştir.
İstatistik mekanik konusunda da önemli araştırmaları olan Gibbs, Maxwell ve Boltzmann’ın kinetik ve istatistik mekanik üzerine çalışmalarını inceledikten sonra, termodinamikte temel açıklamalarını bulamayan ısı, sıcaklık ve özellikle entropi kavramlarına açıklık getirmek üzere başarılı çalışmalar yaptı. Isının niteliği konusunda 19. yy’ın ortalarından başlayarak yapılan çalışmalar, maddenin moleküllü yapısı kanıt-lanamadığmdan hala bir varsayım olan moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin sıcaklığı, sıcaklığı farklı iki cismin alıp verdikleri enerjinin de ısıyı tanımladığı görüşüne ağırlık vermişti. Bu enerji alışverişinde enerji verenin, önceki durumda enerjisi yüksek olan cisim olduğu, molekül hareketlerinin geometrik ortalamaları alınarak gösterilmekteydi. Gibbs, bir sistemdeki enerjinin toplamı sabit tutulduğunda, moleküllere dağılımının en karmaşık olduğu durumun, her iki cismin sıcaklığının eşit olduğu duruma denk geldiğine dikkati çekerek, bu karmaşıklığı ölçen büyüklüğü entropi olarak ele aldı. Böylelikle termodinamikte gösterdiği gibi, dengenin, entropinin en büyük değerde oluşmasına benzetme yapılabilirdi. Ancak entropiyi bu “karmaşıklık” tanımıyla bulabilmek için enerjinin, sisteminin öğelerine nasıl dağıldığını incelemek gerekliydi. Gibbs bu amaçla, öğeleri belirli niteliklere sahip bir topluluk (ensemble), özellikle de öğe sayısı sabit tutulan, ancak enerji alışverişi yapılabilen bir “kanonik” topluluk kavramını geliştirdi. Bu topluluktaki bir sistemin ortalama davranışıyla, termodinamik yasalarına uygun bir sistemin davranışı arasında kurduğu koşutluk aracılığıyla, olasılık yoğunluğunu veren mekanik büyüklüklerle termodinamik büyüklükler arasındaki ilişkiyi elde edebildi.
Gibbs, matematiğin kimyaya uygulanmasında öncü çalışmalarıyla kimyasal termodinamiği kuran, termodinamiğin ve istatistik mekaniğin gelişmesinde de önemli rol oynayan bir kuramcı olarak bilinir.
• YAPITLAR (başlıca): Elementary Prınapies in Ştatistical Mechanics, 1902, (“İstatistik Mekaniğin Temel İlkeleri”); The Scientific Papers ofWillard Gibbs, (ö.s.), H.A.Bums-tead ve R.G.Van Name (der.), 2 cilt, 1906, (“Willard Gibbs’in Bilimsel Yazıları”).
• KAYNAKLAR: L.P.Wheeler, Josiab Wfflard Gibbs, 1970.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi