Josiah Willard Gibbs

Bedeutung für Thermodynamik und physikalische Chemie

Josiah Willard Gibbs (* 11. Februar 1839 in New Haven, Connecticut; † 28. April 1903 ebenda) war ein amerikanischer Wissenschaftler mit wichtigen theoretischen Beiträgen zur Physik, Chemie und Mathematik. Besonders bedeutsam wurde seine Anwendung der Thermodynamik auf physikochemische Erscheinungen. Thermodynamik untersucht unter anderem Energie, Wärme und Gleichgewichtszustände; die physikalische Chemie erklärt chemische Vorgänge mit physikalischen Gesetzmäßigkeiten.

Seine zwischen 1876 und 1878 verfasste Artikelserie On the Equilibrium of Heterogeneous Substances gilt als Grundlage der physikalischen Chemie und als eine der großen Leistungen der Physik des 19. Jahrhunderts. Darin behandelte Gibbs Gleichgewichte in heterogenen Stoffen, also Systemen mit verschiedenen Phasen oder Bereichen, etwa festen, flüssigen oder gasförmigen Anteilen. Zu den darin erörterten Lehrsätzen gehört die Gibbssche Phasenregel.

Gibbs definierte die Gibbs-Energie G = U + pV − T S. Sie gilt bei konstanter Temperatur und konstantem Druck und heißt auch Freie Enthalpie. In der Formel steht U für die innere Energie, p für den Druck, V für das Volumen, T für die Temperatur und S für die Entropie. Die Entropie ist eine thermodynamische Größe, die im Zusammenhang mit der Verteilung von Energie und den möglichen Zuständen eines Systems steht.

Weitere nach Gibbs benannte Begriffe sind das Gibbssche Phänomen, das Gibbssche Paradoxon, die Gibbs-Duhem-Gleichung und die Gibbs-Helmholtz-Gleichung. Seine thermodynamischen Lehrsätze wurden in Europa besonders durch die experimentellen Arbeiten von H. W. Bakhuis Roozeboom verbreitet.

Statistische Mechanik, Vektoranalysis und Schriften

Gibbs leistete außerdem wichtige Beiträge zur statistischen Mechanik, zur Vektoranalysis und zur elektromagnetischen Theorie des Lichtes. Die statistische Mechanik beschreibt physikalische Systeme mithilfe vieler möglicher mikroskopischer Zustände. Gibbs führte dafür den Begriff des Ensembles ein. Ein Ensemble ist eine gedankliche Gesamtheit gleichartiger Systeme; das kanonische Ensemble heißt heute auch Gibbs-Ensemble.

In der Vektoranalysis entwickelte Gibbs eine Methode, welche mathematische Entwicklungen wesentlich vereinfachte. Dadurch wurde die theoretische Behandlung der Maxwellschen Elektrodynamik vorangebracht. Vektoranalysis ist die Mathematik von Vektoren, also Größen mit Betrag und Richtung. Gibbs beschäftigte sich mit Vektoren zunächst beim Versuch, Quaternionen in Maxwells Treatise on Electricity and Magnetism zu verstehen. Er entwickelte sein Vektorkonzept unabhängig von Hermann Grassmann, erkannte aber dessen Priorität an. Zusammen mit Oliver Heaviside trug er Ende des 19. Jahrhunderts wesentlich dazu bei, dass sich der Vektorkalkül gegenüber dem Quaternion-Kalkül durchsetzte.

Gibbs wurde 1871 Professor an der Yale-Universität. Seine Bücher zur Vektoranalysis erschienen 1881 und 1884. Zu seinen Schriften zählt Elementary principles in statistical mechanics (New York, London 1902); eine deutsche Ausgabe erschien 1905 als Elementare Grundlagen der statistischen Mechanik, bearbeitet von Ernst Zermelo. Nach seinem Tod wurden seine Scientific Papers (1906) und Collected Works (1928) gesammelt veröffentlicht.