تويت
جوشيا ويلارد جيبس - الميكانيكا الإحصائية .. الديناميكا الحرارية - حرارة المادة - من ١٨٤٨ إلى ١٩١٤
جوشيا ويلارد جيبس
افترض بولتسمان في صياغته للميكانيكا الحرارية أن الجزيئات تتوزع على كل مستويات الطاقة المتاحة (مثل طاقة مرتفعة، وطاقة منخفضة)
(*) الدورادو كلمة إسبانية واسم لمملكة خرافية غنية بجواهرها ومعادنها النفيسة وتقع في أمريكا الإسبانية (المراجع).
وطاقة متوسطة، وهكذا، ثم قام بحساب خواص الغازات مثل الضغط والأنثروبيا) بناء على متوسط توزيع مع الزمن. ويمكن مقارنة ذلك بوضع ثلاث كرات رخامية في صندوق كرتون من النوع الذي يستخدم لزراعة البيض، ويرج هذا الصندوق مع ملاحظة توزيع الكرات الرخامية في الخانات ثم رجه مرة أخرى ... وهكذا، وبعد ذلك مرة أو نحو ذلك نحسب التوزيع المتوسط. وقد قال جيبس إن هذا التوزيع سيكون هو نفسه متوسط توزيع الكرات الرخامية التلقائية في العديد من الأنظمة. ويمكن مقارنة ذلك بأخذ تريليون كرتونة مزودة بكرات رخامية ثلاثية ورجها جميعًا في وقت واحد مع متوسط توزيع فيها. وقد زادت أن هذه الطريقة الرياضية مفيدة جدًا، وقد ساعدت كثيرًا في حسابات الميكانيكا الإحصائية (على الرغم من أن الحسابات ظلت عصية، من هنا جاءت الإشارة إلى MS الحروف الأولى من اسم العلم الإحصائي Meelencas» من قبل الطلبة الأشقياء). وقد أطلق جيبس على كرتونات بيضا اسم «أطقم» (الأطقم القانونية، والأطقم القانونية الصغيرة والأطقم القانونية الكبرى) وهي الأسماء التي كان لها رنين الكورال الملائكي أكثر منها أسماء تتعلق بالذرات أو الجزيئية. وقد أربكت لغته صارمة وشكلية رياضية عامة مجتمعية علمية لفترة طويلة. وقد ذهبت معظم أعمال جيبس دون أن يلحظها أو يحتلها أحد. فقد كان جيبس هادئًا بطبيعته، فلم ينفق الكثير من وقته في الإعلان والدعاية للأفكاره. وباستعراض خلفية أسرته التي يمكن أن تتصور السبب الذي من أجله اختار جيبس حياة أكثر هدوءًا.
هاجر الجد الأكبر لجيبس (سيمون ويلارد) من إنجلترا إلى نيو إنجلاند في منتصف القرن السابع عشر ليعمل تاجرًا فراءً ومقاتلًا. أما ابنه الموقر صمويل ويلارد) فقد أعلن عن رأيه بوضوح ضد محاكم السحر في ميناء سالم في مساشوستس، وقد انتهى به الأمر إلى أن يصبح هو نفسه متهمًا بالسحر. وتحتفل شجرة عائلة جيبس بموقعين على وثيقة الاستقلال والأطباء والأساتذة والمحامين والكيميائيين. أما والده فقد كان أستاذًا في جامعة بيل، واشترك في توقيع احتجاج موجه إلى الرئيس بوتشانان ضد اقتراح استخدام القوات لنجدة كانساس المؤيدين للرق. وكانت أمه ثائرة هادئة تقوم بدراسة علم الطيور بشكل منتظم، ولم تلتزم بنفسها بملاحظة الطيور فقط، كما كانت عليه الحال لامرأة تلاحق الطيور في ذلك العصر.
بدأت الحرب الأهلية الأمريكية عندما كان جيبس في مرحلة الدراسات العليا، لكنه لم تصبه القرعة ولم يتطوع بنفسه. ومع أن والدته ماتت وهو في الكلية وتوفي والده عندما كان طالبا للدراسات العليا، فإن أخته غير المتزوجة استمرت تعيش معه وترعى بيته.
كانت الدكتوراه الخاصة بجيبس هي ثاني درجة تمنح في العلوم في الولايات المتحدة وأول درجة في الهندسة لأن تاريخه الوظيفي في ييل امتد على مدى الأربعين سنة التالية، فربما يكون قد تزامن مع أحد أوائل جامعة ييل : فقد حصل أول أمريكي من أصل أفريقي على درجة الدكتوراه Ph.D في الفيزياء وهو إدوارد بوتشي، وقد كان ذلك في جامعة بيل حيث انتخب للحصول على الأخوة الشرفية في بيتا كابًا) (10) . ولرغبته في البقاء في بيل فقد قبل جيبس وظيفة معلم خصوصي لمدة 3 سنوات. وبنهاية هذه المدة قام هو وأختان له بتأجير بيت العائلة ليقوموا بتمويل رحلة إلى أوروبا، كان هدفها الأول هو دراسة جيبس. ولدى عودته أصبح في مقدور جيبس شغل وظيفة أستاذ للفيزياء الرياضية، لأنه وافق على العمل من دون مرتب. غير أن هذا الأمر لم يكن غير مألوف في الثمانينيات من القرن التاسع عشر، فقد كان يتلقى بقشيشا من الطلاب الذين لم يكن لديه منهم سوى القليل في البداية وكان يجري تجاربه على فقاعات الصابون والشد السطحي والخاصية الشعرية في المنزل، في حوض المطبخ. وقد اختار أن يحاضر في أعمال كلاوزيوس وأثبت أن له حسا قويا تجاه مفاهيم الديناميكا الحرارية بما في ذلك الأنتروبيا .
كان الاعتقاد السائد هو أن التفاعلات التي تنتج حرارة هي فقط التفاعلات التلقائية. غير أن جيبس أدرك أن التغير الذي ينتج أكبر كمية من الأنتروبيا في النظام وفي الوسط المحيط به هو التغير الذي يحدث تلقائيا فالحرارة تسري تلقائيا من الجسم الساخن إلى البارد وليس العكس لأن ذلك هو التغير الذي ينتج أقصى أنتروبيا).
وبعبارة أخرى، رأى جيبس أن حساب التغير في الأنتروبيا للنظام وللوسط المحيط به يمكننا من التنبؤ باتجاه التغير التلقائي في أي تفاعل كيميائي.
وهكذا ، بالورق والقلم - ومن دون قطرة واحدة من محلول أو من عرق -يمكن أن نحسب ما إذا كان تفاعل ما في الصناعة أو في المعمل لابد أن يحدث.
وقد استحدثت قيمة تعرف باسم طاقة جيبس الحرة 6 تشتمل على هذه التغيرات الأنتروبية خصيصا من أجل الظروف المهمة والخاصة بإجراء التجارب في وعاء مفتوح في المعمل أي تحت ضغط ثابت ودرجة حرارة ثابتة). وكما يعرف كل طالب مجتهد من طلاب الكيمياء، فإن التفاعلات تحدث تلقائيا فقط إذا كانت قيمة G للحالة الأولية أكبر من G للحالة النهائية. أما عند الاتزان فإن التغير في G يساوي صفرا .
وعلى الرغم من ذلك لم يكن هذا كافيا، فقد استخدم جيبس أبعاد وات لمنحنيات الضغط مع الحجم في حالة سطح ذي ثلاثة أبعاد (مجسم) بحيث يمكن تحديد حالة النظام غاز أم سائل أم (جامد) تحت أي درجة حرارة وضغط بمجرد إلقاء نظرة . وقد استنبط قاعدة تعادل الأطوار لتحديد ما إذا كان الخليط الكيميائي متزنا وأي المكونات أو الظروف يمكن تغييرها دون أن ندفع النظام تجاه طور آخر . ومن المهم جدا في كثير من المواقف العملية، مثل حالة سبك السبائك التحكم في تركيب الناتج النهائي. ويمكن إيجاز المعلومات حول تركيب الخليط على رسم بياني للأطوار التي يمكن استخدامها مع قاعدة تعادل الأطوار لجيبس للتنبؤ بسلوك النظام في الظروف المختلفة.
كانت نتيجة كل هذه الأبحاث قائمة جديدة من الأدوات التي يستخدمها الكيميائيون والمهندسون ومثلهم النظريون. وكانت المشكلة الوحيدة هي أن هذه القائمة لم تصل مباشرة إلى الناس الذين كان في استطاعتهم الإفادة منها . كانت الأبحاث في شكل رياضي مبهم، لم يتمكن الناس من فهمه عند قراءته، كما أنها نشرت في مجلة غير مشهورة هي محاضر أكاديمية كونيكتيكت لم تصل أوروبا إلا بعد مدة بالبحر، إذا كانت قد وصلت أصلا. غير أنها قد وصلت لقلة مهمة من بينهم جيمس كلارك ماكسويل الغزير الإنتاج والمحترم الذي سوف نلتقي به الآن وفيما بعد .
جوشيا ويلارد جيبس
افترض بولتسمان في صياغته للميكانيكا الحرارية أن الجزيئات تتوزع على كل مستويات الطاقة المتاحة (مثل طاقة مرتفعة، وطاقة منخفضة)
(*) الدورادو كلمة إسبانية واسم لمملكة خرافية غنية بجواهرها ومعادنها النفيسة وتقع في أمريكا الإسبانية (المراجع).
وطاقة متوسطة، وهكذا، ثم قام بحساب خواص الغازات مثل الضغط والأنثروبيا) بناء على متوسط توزيع مع الزمن. ويمكن مقارنة ذلك بوضع ثلاث كرات رخامية في صندوق كرتون من النوع الذي يستخدم لزراعة البيض، ويرج هذا الصندوق مع ملاحظة توزيع الكرات الرخامية في الخانات ثم رجه مرة أخرى ... وهكذا، وبعد ذلك مرة أو نحو ذلك نحسب التوزيع المتوسط. وقد قال جيبس إن هذا التوزيع سيكون هو نفسه متوسط توزيع الكرات الرخامية التلقائية في العديد من الأنظمة. ويمكن مقارنة ذلك بأخذ تريليون كرتونة مزودة بكرات رخامية ثلاثية ورجها جميعًا في وقت واحد مع متوسط توزيع فيها. وقد زادت أن هذه الطريقة الرياضية مفيدة جدًا، وقد ساعدت كثيرًا في حسابات الميكانيكا الإحصائية (على الرغم من أن الحسابات ظلت عصية، من هنا جاءت الإشارة إلى MS الحروف الأولى من اسم العلم الإحصائي Meelencas» من قبل الطلبة الأشقياء). وقد أطلق جيبس على كرتونات بيضا اسم «أطقم» (الأطقم القانونية، والأطقم القانونية الصغيرة والأطقم القانونية الكبرى) وهي الأسماء التي كان لها رنين الكورال الملائكي أكثر منها أسماء تتعلق بالذرات أو الجزيئية. وقد أربكت لغته صارمة وشكلية رياضية عامة مجتمعية علمية لفترة طويلة. وقد ذهبت معظم أعمال جيبس دون أن يلحظها أو يحتلها أحد. فقد كان جيبس هادئًا بطبيعته، فلم ينفق الكثير من وقته في الإعلان والدعاية للأفكاره. وباستعراض خلفية أسرته التي يمكن أن تتصور السبب الذي من أجله اختار جيبس حياة أكثر هدوءًا.
هاجر الجد الأكبر لجيبس (سيمون ويلارد) من إنجلترا إلى نيو إنجلاند في منتصف القرن السابع عشر ليعمل تاجرًا فراءً ومقاتلًا. أما ابنه الموقر صمويل ويلارد) فقد أعلن عن رأيه بوضوح ضد محاكم السحر في ميناء سالم في مساشوستس، وقد انتهى به الأمر إلى أن يصبح هو نفسه متهمًا بالسحر. وتحتفل شجرة عائلة جيبس بموقعين على وثيقة الاستقلال والأطباء والأساتذة والمحامين والكيميائيين. أما والده فقد كان أستاذًا في جامعة بيل، واشترك في توقيع احتجاج موجه إلى الرئيس بوتشانان ضد اقتراح استخدام القوات لنجدة كانساس المؤيدين للرق. وكانت أمه ثائرة هادئة تقوم بدراسة علم الطيور بشكل منتظم، ولم تلتزم بنفسها بملاحظة الطيور فقط، كما كانت عليه الحال لامرأة تلاحق الطيور في ذلك العصر.
بدأت الحرب الأهلية الأمريكية عندما كان جيبس في مرحلة الدراسات العليا، لكنه لم تصبه القرعة ولم يتطوع بنفسه. ومع أن والدته ماتت وهو في الكلية وتوفي والده عندما كان طالبا للدراسات العليا، فإن أخته غير المتزوجة استمرت تعيش معه وترعى بيته.
كانت الدكتوراه الخاصة بجيبس هي ثاني درجة تمنح في العلوم في الولايات المتحدة وأول درجة في الهندسة لأن تاريخه الوظيفي في ييل امتد على مدى الأربعين سنة التالية، فربما يكون قد تزامن مع أحد أوائل جامعة ييل : فقد حصل أول أمريكي من أصل أفريقي على درجة الدكتوراه Ph.D في الفيزياء وهو إدوارد بوتشي، وقد كان ذلك في جامعة بيل حيث انتخب للحصول على الأخوة الشرفية في بيتا كابًا) (10) . ولرغبته في البقاء في بيل فقد قبل جيبس وظيفة معلم خصوصي لمدة 3 سنوات. وبنهاية هذه المدة قام هو وأختان له بتأجير بيت العائلة ليقوموا بتمويل رحلة إلى أوروبا، كان هدفها الأول هو دراسة جيبس. ولدى عودته أصبح في مقدور جيبس شغل وظيفة أستاذ للفيزياء الرياضية، لأنه وافق على العمل من دون مرتب. غير أن هذا الأمر لم يكن غير مألوف في الثمانينيات من القرن التاسع عشر، فقد كان يتلقى بقشيشا من الطلاب الذين لم يكن لديه منهم سوى القليل في البداية وكان يجري تجاربه على فقاعات الصابون والشد السطحي والخاصية الشعرية في المنزل، في حوض المطبخ. وقد اختار أن يحاضر في أعمال كلاوزيوس وأثبت أن له حسا قويا تجاه مفاهيم الديناميكا الحرارية بما في ذلك الأنتروبيا .
كان الاعتقاد السائد هو أن التفاعلات التي تنتج حرارة هي فقط التفاعلات التلقائية. غير أن جيبس أدرك أن التغير الذي ينتج أكبر كمية من الأنتروبيا في النظام وفي الوسط المحيط به هو التغير الذي يحدث تلقائيا فالحرارة تسري تلقائيا من الجسم الساخن إلى البارد وليس العكس لأن ذلك هو التغير الذي ينتج أقصى أنتروبيا).
وبعبارة أخرى، رأى جيبس أن حساب التغير في الأنتروبيا للنظام وللوسط المحيط به يمكننا من التنبؤ باتجاه التغير التلقائي في أي تفاعل كيميائي.
وهكذا ، بالورق والقلم - ومن دون قطرة واحدة من محلول أو من عرق -يمكن أن نحسب ما إذا كان تفاعل ما في الصناعة أو في المعمل لابد أن يحدث.
وقد استحدثت قيمة تعرف باسم طاقة جيبس الحرة 6 تشتمل على هذه التغيرات الأنتروبية خصيصا من أجل الظروف المهمة والخاصة بإجراء التجارب في وعاء مفتوح في المعمل أي تحت ضغط ثابت ودرجة حرارة ثابتة). وكما يعرف كل طالب مجتهد من طلاب الكيمياء، فإن التفاعلات تحدث تلقائيا فقط إذا كانت قيمة G للحالة الأولية أكبر من G للحالة النهائية. أما عند الاتزان فإن التغير في G يساوي صفرا .
وعلى الرغم من ذلك لم يكن هذا كافيا، فقد استخدم جيبس أبعاد وات لمنحنيات الضغط مع الحجم في حالة سطح ذي ثلاثة أبعاد (مجسم) بحيث يمكن تحديد حالة النظام غاز أم سائل أم (جامد) تحت أي درجة حرارة وضغط بمجرد إلقاء نظرة . وقد استنبط قاعدة تعادل الأطوار لتحديد ما إذا كان الخليط الكيميائي متزنا وأي المكونات أو الظروف يمكن تغييرها دون أن ندفع النظام تجاه طور آخر . ومن المهم جدا في كثير من المواقف العملية، مثل حالة سبك السبائك التحكم في تركيب الناتج النهائي. ويمكن إيجاز المعلومات حول تركيب الخليط على رسم بياني للأطوار التي يمكن استخدامها مع قاعدة تعادل الأطوار لجيبس للتنبؤ بسلوك النظام في الظروف المختلفة.
كانت نتيجة كل هذه الأبحاث قائمة جديدة من الأدوات التي يستخدمها الكيميائيون والمهندسون ومثلهم النظريون. وكانت المشكلة الوحيدة هي أن هذه القائمة لم تصل مباشرة إلى الناس الذين كان في استطاعتهم الإفادة منها . كانت الأبحاث في شكل رياضي مبهم، لم يتمكن الناس من فهمه عند قراءته، كما أنها نشرت في مجلة غير مشهورة هي محاضر أكاديمية كونيكتيكت لم تصل أوروبا إلا بعد مدة بالبحر، إذا كانت قد وصلت أصلا. غير أنها قد وصلت لقلة مهمة من بينهم جيمس كلارك ماكسويل الغزير الإنتاج والمحترم الذي سوف نلتقي به الآن وفيما بعد .
تعليق