Walter Nernst se narodil v roce 1864 na území dnešního Polska a nestudoval pouze vědu – pomohl utvářet naše moderní chápání této vědy. Tento německý fyzik a chemik se stal jedním z hlavních architektů fyzikální chemie. Jeho práce spojovaly abstraktní zákony energie s konkrétními chemickými reakcemi.
Za to obdržel v roce 1920 Nobelovu cenu za chemii. Cena byla udělena zejména za jeho tepelný teorém. Dnes tomu vědci říkají třetí termodynamický zákon. Změnilo to naše chápání entropie na absolutní nule. Než však získal Nobelovu cenu, byl jen studentem, který se snažil pochopit, jak se elektřina pohybuje kapalinami.
Od studenta k ionistovi
Nernst studoval v různých evropských zemích. Studoval v Curychu, poté se přestěhoval do Grazu. Nakonec se usadil v Berlíně. V roce 1887 získal doktorát z Würzburgu.
Následovalo Lipsko. Bylo to centrum nových myšlenek. Vedl tam Wilhelm Ostwald. Spolu s Jacobusem van’t Hoffem a Svante Arrhenius položil Ostwald základ pro nový obor. Soustředili se na řešení. Zkoumali, jak se v nich pohybuje elektřina a hmota.
Tihle kluci si říkali ionisté (Ionisten). Dokázali, že fyzikální chemie stojí na vlastních nohou. Nebyl to jen obor fyziky nebo podsekce obecné chemie. Byla to samostatná disciplína.
Nernst se do této práce ponořil. Vypočítal difúzní koeficienty pro elektrolyty. Byly to soli rozpuštěné ve vodě tak zředěné, že spolu téměř nereagovaly. Objevil vztah mezi pohyblivostí iontů a elektromotorickou silou. Publikoval to ve své habilitační práci z roku 1889.
Tato práce vedla k vytvoření Nernstovy rovnice.
Nernstova rovnice spojuje termodynamiku s teorií elektrochemických roztoků. Zůstává základním nástrojem v chemii.
Tato práce byla tak významná, že mu bylo v roce 1891 nabídnuto místo asistenta profesora v Göttingenu.
Učebnice a institut
V Göttingenu napsal Nernst rozsáhlou učebnici. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik byla vydána v roce 1893. Pro anglicky mluvící čtenáře byla známá jako Experimentální a teoretické aplikace termodynamiky v chemii.
Trval na Avogadrově zákonu. Trval na termodynamice. Tvrdil, že chemické procesy nelze uvažovat bez fyziky. Na tehdejší dobu to byl odvážný přístup.
V roce 1894 dostal nabídky z Mnichova a Giessenu. Odmítl je. Místo toho se ujal křesla v nově vytvořeném Ústavu fyzikální chemie a elektrochemie v Göttingenu. Byl to jediný ústav svého druhu v Německu.
Spustil ambiciózní program. Studoval chemickou rovnováhu. Studoval osmotický tlak. Hluboce se ponořil do teorie řešení. Obsesivně studoval elektrochemii.
Měl ale i vedlejší projekt. Velmi výnosné.
Nernstova lampa a globár
Nernst byl posedlý světlem. Strávil deset let zlepšováním žárovky. Smíchal oxid zirkoničitý s oxidem yttritým. Zjistil, že tato směs vede elektřinu při vysokých teplotách a vyzařuje jasné bílé světlo.
Začal na tom pracovat v roce 1897. Získal patenty v Evropě a USA. Společnost Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) v Berlíně vyráběla lampy Nernst. Tisíce z nich zdobily německý pavilon na mezinárodní výstavě v Paříži v roce 1900.
Byla to podívaná. Ale design měl chybu: vyžadoval předehřívací mechanismus. Bez tohoto jiskření by se lampa nerozsvítila. Lampy měly omezený úspěch. Nesloužili dlouho.
Chemie však přežila.
Zařízení se stalo známým jako Nernstova svíčka. Nebo Nernstův globár. Dnes se k osvětlení domů nepoužívá. Je to důležitý nástroj v časově rozlišené infračervené spektrofotometrii. Vědci jej využívají ke studiu chemických reakcí v reálném čase.
Žárovka selhala. Věda – ne.
Nernst také zkoumal kovová vlákna. Jeho práce podnítila vývoj moderních konvenčních lamp. Přispěl k širší oblasti dielektrických lamp. Jeho odkaz je směsí neúspěšných komerčních produktů a základních vědeckých teorií.
Zemřel v roce 1941 v Ziebelle v Německu. Tato země je nyní součástí Polska. Zanechal po sobě 框架 pro pochopení energie. A malá keramická tyčinka, která pomáhá chemikům vidět neviditelné.
Třetí zákon a nemožnost nuly
Max Nernst právě nastoupil do své nové funkce v Berlíně. Byl profesorem, ředitelem Druhé chemické laboratoře a stálým členem Pruské akademie věd. Psal se rok 1906. Oznámil důležitý objev. Tepelná věta. Později známý jako třetí zákon termodynamiky.
Definice je jednoduchá. Entropie měří molekulární poruchu. To je energie, kterou systém nemůže využít k práci. Nernst tvrdil, že jak se uzavřený systém ochlazuje, jeho entropie klesá. Když teplota dosáhne absolutní nuly, minus 273,15 stupňů Celsia, entropie se stane nulovou.
Ale je tu nuance. Zákon také říká, že tohoto stavu je nemožné dosáhnout.
Přemýšlejte o tom. Chcete-li předmět ochladit, musíte z něj odstranit teplo. Ale jak se objekt ochlazuje, je exponenciálně obtížnější odstranit poslední části tepla. Můžete se přiblížit svému cíli. Moderní laboratoře ochlazovaly látky na teploty miliardtinu stupně nad absolutní nulou. Ale spodní část stupnice teploměru? Tato zeď je neprostupná. Můžete se ho dotknout, ale nikdy přes něj neprojdete.
Řešení integračního problému
Proč to chemikům vadilo? Dostali se do slepé uličky.
Po mnoho let se vědci pokoušeli předpovídat chemickou rovnováhu pomocí tepelných měření. Reakční teplo. Měrné tepelné kapacity. Chtěli vědět, jakým směrem se reakce bude ubírat. Chtěli vědět, kdy přestane. Pokusili se využít první dva zákony termodynamiky. Nefungovalo to.
Matematika byla porušena. Konkrétně Gibbs-Helmholtzova rovnice. Vztahuje změnu volné energie ($\Delta F$) k obsahu tepla ($\Delta H$) a entropii ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Chcete-li to vyřešit, musíte se integrovat. Integrace zavádí konstantu. Nejistý. Říkali jí $J$. Byl to duch ve stroji. Bez znalosti $J$ byly výpočty k ničemu. Měli proměnné, ale chyběl jim poslední kousek skládačky.
Nernst viděl problém jinak. Podíval se na to, co se stane s $\Delta F$ a $\Delta H$ blízko absolutní nuly.
Předpokládal, že tyto dvě hodnoty splývají. S klesající teplotou se křivky volné energie a tepelného obsahu stávají tečnými. Probíhají paralelně. Rozdíl mezi nimi mizí.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Pokud je rozdíl nula, matematika se zjednoduší. Dlouho očekávaná konstanta $J$ mohla být konečně vypočtena pomocí laboratorních měření. Kalorimetrie. Údaje o teple. Duch byl vymítán. Chemici nyní mohli předpovídat reakce s přesností, která byla dříve nemožná.
Důkaz je v mrazu
Původní zákon měl omezení. Byl aplikován na kondenzované fáze. Pevné látky. Tekutiny.
Plyny byly složitější. Nernst neměl rád omezení. Chtěl, aby právo fungovalo všude. Rozhodl se to tedy otestovat na plynech. K tomu je potřeboval proměnit v něco zhuštěného. Potřeboval je zmrazit.
V letech 1905 až 1914 se Berlínský institut stal chladicím závodem. Nernst, jeho studenti a kolegové vytvořili zvláštní, krásné stroje. Zařízení na zkapalňování vodíku. Specializované teploměry. Přesné kalorimetry. Pracovali v hlubokém chladu a měřili specifická tepla pro dlouhý seznam látek.
Nebylo to jen vítězství Nernsta samotného. Načasování se shodovalo s revolucí ve fyzice.
V roce 1907 Albert Einstein publikoval článek. Použil kvantovou mechaniku, novou teorii, která vznikla z práce Maxe Plancka v roce 1900. Einstein předpověděl, že specifické tepelné kapacity pevných látek budou mít tendenci k nule, jakmile se teplota přiblíží absolutní nule.
Nernstovy údaje se shodovaly. Jeho empirické výsledky podpořily kvantovou hypotézu. A Einsteinova teorie potvrdila Nernstův tepelný teorém.
Bylo to vzájemné posílení. Matematika fungovala. Experimenty to prokázaly.
Toto spojení vtáhlo Nernsta do samotného srdce nového fyzického hnutí. Nejen přihlížel. Organizoval. Hrál klíčovou roli na prvním kongresu Solvay v Bruselu. Listopad 1911. Setkání nejlepších mozků v Evropě k analýze kvantové hypotézy.
Nernst se stal jedním z prvních a nejaktivnějších zastánců kvantové mechaniky. Viděl v tom pravdu. Třetí zákon nebyl jen termodynamickou poznámkou pod čarou. Stal se mostem k novému chápání toho, jak se hmota chová na své nejzákladnější, nejchladnější hranici.
Práce pokračovaly. Zařízení byla vylepšena. Teploty klesaly níž a níž. Ale byl tu limit. Dveře k absolutní nule zůstaly zavřené.
Berlínské období a správní moc
Nernst nebyl jen experimentální vědec. Během první světové války se aktivně zapojil do vojenské a správní činnosti. Dokonce se podílel na výzkumu chemických zbraní. Bylo to temné období. Oba jeho synové během konfliktu zemřeli.
Válka skončila. Vrátil se k akademické práci. Jeho zájmy byly rozmanité: fotosyntéza, astrofyzika, kosmologie. Vytvořil také elektronické piano s reproduktorovým zesilovačem hlasitosti – Neo-Bechsteinflügel. Bylo to zvláštní spojení umění a vědy.
Jeho akademická kariéra šla dobře. Od roku 1905 vedl katedru fyzikální chemie na univerzitě v Berlíně. V roce 1921 se stal rektorem univerzity. V následujícím roce vedl nově založený Ústav experimentální fyziky. Tyto funkce zastával až do svého odchodu do důchodu v roce 1933.
Administrativní činnost se neomezovala pouze na univerzitu. Od roku 1922 do roku 1924 byl Nernst prezidentem německého národního úřadu pro fyzické normy. Tyto posty mu daly významný vliv na vědecké standardy a vzdělání v Německu během éry politických nepokojů.
