Walther Nernst wurde 1864 im heutigen Polen geboren und studierte nicht nur Naturwissenschaften. Er half dabei, das moderne Verständnis davon zu erfinden. Dieser deutsche Physiker und Chemiker war einer der wichtigsten Architekten der physikalischen Chemie. Seine Arbeit überbrückte die Lücke zwischen abstrakten Energiegesetzen und greifbaren chemischen Reaktionen.
Dafür erhielt er 1920 den Nobelpreis für Chemie. Konkret ging es um seinen Wärmesatz. Wissenschaftler nennen es jetzt den dritten Hauptsatz der Thermodynamik. Es hat unser Verständnis der Entropie am absoluten Nullpunkt verändert. Doch bevor er Nobelpreisträger wurde, war er nur ein Student, der herausfinden wollte, wie sich Elektrizität durch Flüssigkeiten bewegt.
Vom Studenten zum Ionisten
Nernst studierte in ganz Europa. Er kam in Zürich zu Buche. Dann zog er nach Graz. Schließlich landete er in Berlin. 1887 promovierte er in Würzburg.
Dann kam Leipzig. Dies war die Brutstätte neuer Ideen. Wilhelm Ostwald leitete dort die Show. Gemeinsam mit Jacobus van’t Hoff und Svante Arrhenius legte Ostwald den Grundstein für ein neues Feld. Sie konzentrierten sich auf Lösungen. Sie untersuchten, wie sich Elektrizität und Materie durch sie bewegten.
Diese Leute nannten sich die Ioner (oder Ionisten). Sie bewiesen, dass die physikalische Chemie auf eigenen Beinen stand. Es war nicht nur ein Zweig der Physik oder eine Unterdisziplin der allgemeinen Chemie. Es war ein eigenes Biest.
Nernst griff ein. Er berechnete Diffusionskoeffizienten für Elektrolyte. Dabei handelt es sich um in Wasser gelöste Salze, die so dünn sind, dass sie kaum interagieren. Er fand einen Zusammenhang zwischen Ionenmobilität und elektromotorischer Kraft. Dies veröffentlichte er 1889 in seiner Habilitationsschrift.
Diese Arbeit ergab die Nernst-Gleichung.
Die Nernst-Gleichung verbindet Thermodynamik mit elektrochemischer Lösungstheorie. Es bleibt ein grundlegendes Werkzeug in der Chemie.
Dies war bedeutsam genug, um ihm 1891 eine außerordentliche Professur in Göttingen zu verschaffen.
Das Lehrbuch und das Institut
In Göttingen schrieb Nernst ein umfangreiches Lehrbuch. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik erschien 1893. Englische Leser kannten es als Experimental and Theoretical Applications of Thermodynamics to Chemistry.
Er betonte das Gesetz von Avogadro. Er betonte die Thermodynamik. Er argumentierte, dass man chemische Prozesse nicht ohne Physik behandeln könne. Das war damals eine mutige Haltung.
1894 hatte er Angebote aus München und Gießen. Er lehnte ab. Stattdessen übernahm er einen Lehrstuhl am neu geschaffenen Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie in Göttingen. Es war das einzige Institut seiner Art in Deutschland.
Er startete ein ehrgeiziges Programm. Er befasste sich mit chemischen Gleichgewichten. Er untersuchte den osmotischen Druck. Er beschäftigte sich mit der Lösungstheorie. Er war besessen von der Elektrochemie.
Aber er hatte auch einen Nebenjob. Ein sehr profitables.
Die Nernst-Lampe und die Globar
Nernst war vom Licht besessen. Er verbrachte ein Jahrzehnt damit, die Glühlampe zu verbessern. Er mischte Zirkonoxid mit Yttriumoxid. Er fand heraus, dass diese Mischung bei hohen Temperaturen Strom leitete. Es strahlte ein strahlend weißes Licht aus.
Er begann 1897 damit zu arbeiten. Er sicherte sich Patente in Europa und den USA. Die Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) in Berlin stellte die Nernst-Lampe her. Tausende von ihnen schmückten den deutschen Pavillon auf der Pariser Weltausstellung 1900.
Es war ein Spektakel. Aber das Design hatte einen Fehler. Es war ein Vorheizmechanismus erforderlich. Ohne diesen Funken würde es nicht starten. Die Lampen hatten nur begrenzten Erfolg. Sie hielten nicht ewig.
Dennoch hat die Chemie überlebt.
Das Gerät wurde als Nernst-Grunzer bekannt. Oder der Nernst-Globar. Heutzutage wird es nicht mehr zur Beleuchtung von Häusern verwendet. Es ist ein entscheidendes Instrument in der zeitaufgelösten Infrarotspektrophotometrie. Wissenschaftler nutzen es, um chemische Reaktionen in Echtzeit zu untersuchen.
Die Glühbirne ist ausgefallen. Die Wissenschaft tat es nicht.
Nernst erforschte auch Metallfäden. Seine Arbeit trieb die Entwicklung moderner konventioneller Glühbirnen voran. Er trug zum breiteren Gebiet der dielektrischen Glühbirnen bei. Sein Vermächtnis ist eine Mischung aus gescheiterten kommerziellen Produkten und grundlegender wissenschaftlicher Theorie.
Er starb 1941 in Zibelle, Deutschland. Das Land gehört heute zu Polen. Er hinterließ einen Rahmen für das Verständnis von Energie. Und ein kleiner Keramikstab, der Chemikern hilft, das Unsichtbare zu sehen.
Das Dritte Gesetz und die unmögliche Null
Max Nernst hatte sich gerade in seiner neuen Rolle in Berlin eingelebt. Er war Professor, Direktor des Zweiten Chemischen Instituts und ständiges Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Es war 1906. Er kündigte etwas Großes an. Der Wärmesatz. Später als dritter Hauptsatz der Thermodynamik bekannt.
Die Definition ist sauber. Entropie misst molekulare Unordnung. Es handelt sich um die Energie, die ein System nicht zur Arbeit nutzen kann. Nernst sagte, dass die Entropie abnimmt, wenn ein geschlossenes System abkühlt. Wenn die Temperatur den absoluten Nullpunkt erreicht, minus 273,15 Grad Celsius, erreicht die Entropie den Nullpunkt.
Es gibt einen Haken. Das Gesetz besagt auch, dass man nie dorthin gelangen kann.
Denken Sie darüber nach. Um etwas abzukühlen, muss man Wärme abführen. Aber wenn das Objekt kälter wird, wird es exponentiell schwieriger, die letzte Wärmemenge abzuleiten. Du kannst näher kommen. Moderne Labore haben Dinge auf bis zu einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Aber die Unterseite des Thermometers? Diese Wand ist solide. Du kannst es anfassen. Man kann es nie durchqueren.
Das Integrationsrätsel lösen
Warum war das für Chemiker wichtig? Sie saßen fest.
Jahrelang versuchten Wissenschaftler, mithilfe thermischer Messungen chemische Gleichgewichte vorherzusagen. Reaktionswärmen. Spezifische Läufe. Sie wollten wissen, in welche Richtung eine Reaktion verlaufen würde. Sie wollten wissen, wann es aufhören würde. Sie versuchten, die ersten beiden Hauptsätze der Thermodynamik zu nutzen. Es hat nicht funktioniert.
Die Mathematik war kaputt. Insbesondere die Gibbs-Helmholtz-Gleichung. Es setzt die Änderung der freien Energie ($\Delta F$) mit dem Wärmeinhalt ($\Delta H$) und der Entropie ($\Delta S$) in Beziehung.
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Um es zu lösen, muss man integrieren. Integration führt eine Konstante ein. Eine unbestimmte. Sie nannten es $J$. Es war ein Geist in der Maschine. Ohne $J$ zu kennen, waren die Berechnungen nutzlos. Sie hatten die Variablen, aber nicht das letzte Puzzleteil.
Nernst sah das Problem anders. Er untersuchte, was mit $\Delta F$ und $\Delta H$ nahe dem absoluten Nullpunkt passierte.
Er stellte die Hypothese auf, dass diese beiden Werte konvergieren. Wenn die Temperatur sinkt, werden die Kurven für freie Energie und Wärmeinhalt tangential. Sie verlaufen parallel. Der Unterschied zwischen ihnen verschwindet.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Wenn die Differenz Null ist, vereinfacht sich die Mathematik. Die schwer fassbare Konstante $J$ konnte schließlich mithilfe von Labormessungen berechnet werden. Kalorimetrie. Wärmedaten. Der Geist wurde verbannt. Chemiker konnten nun Reaktionen mit einer Präzision vorhersagen, die es zuvor noch nie gegeben hatte.
Der Beweis in der Kälte
Das ursprüngliche Gesetz hatte Grenzen. Es galt für kondensierte Phasen. Feststoffe. Flüssigkeiten.
Gase waren schwieriger. Nernst mochte keine Grenzen. Er wollte, dass das Gesetz überall gilt. Also beschloss er, es an Gasen zu testen. Dazu musste er sie in etwas Kondensiertes verwandeln. Er musste sie einfrieren.
Zwischen 1905 und 1914 wurde das Berliner Institut zur Kältefabrik. Nernst, seine Schüler und seine Mitarbeiter bauten seltsame, wunderschöne Maschinen. Wasserstoffverflüssiger. Spezialthermometer. Präzisionskalorimeter. Sie arbeiteten in der tiefen Kälte und maßen spezifische Wärmewerte für eine lange Liste von Substanzen.
Bei diesem Sieg war nicht nur Nernst allein. Der Zeitpunkt stimmte mit einer Revolution in der Physik überein.
Im Jahr 1907 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit. Er nutzte die Quantenmechanik, die neue Theorie, die aus Max Plancks Arbeit im Jahr 1900 entstand. Einstein sagte voraus, dass die spezifische Wärme von Festkörpern auf Null sinken würde, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt näherte.
Nernsts Daten stimmten überein. Seine empirischen Ergebnisse stützten die Quantenhypothese. Und Einsteins Theorie stützte Nernsts Wärmesatz.
Es war eine gegenseitige Verstärkung. Die Rechnung hat funktioniert. Die Experimente haben es bewiesen.
Diese Verbindung zog Nernst ins Herz der neuen Physikbewegung. Er hat nicht nur beobachtet. Er hat organisiert. Er war maßgeblich am ersten Solvay-Kongress in Brüssel beteiligt. November 1911. Eine Versammlung der besten Köpfe Europas zur Analyse der Quantenhypothese.
Nernst wurde ein früher, lautstarker Befürworter der Quantenmechanik. Er sah die Wahrheit darin. Das dritte Gesetz war nicht nur eine thermodynamische Fußnote. Es war eine Brücke zu einem neuen Verständnis darüber, wie sich Materie an ihrem grundlegendsten, kältesten Rand verhält.
Die Arbeit ging weiter. Die Instrumente wurden verbessert. Die Temperaturen sanken weiter. Aber die Grenze blieb. Die Tür zum absoluten Nullpunkt blieb verschlossen.
Die Berliner Jahre und die Verwaltungsmacht
Nernst war nicht nur ein Laborkitteltyp. Während des Ersten Weltkriegs war er intensiv mit militärischer und administrativer Arbeit beschäftigt. Er beschäftigte sich sogar mit der Forschung zur chemischen Kriegsführung. Es war eine dunkle Zeit. Seine beiden Söhne kamen im Konflikt ums Leben.
Der Krieg endete. Er wandte sich wieder der Wissenschaft zu. Die Beschäftigungen waren vielfältig. Photosynthese. Astrophysik. Kosmologie. Außerdem baute er ein elektronisches Klavier mit Lautsprecherverstärkung. Der Neo-Bechsteinflügel. Es war eine seltsame Mischung aus Kunst und Wissenschaft.
Sein akademischer Aufstieg war steil. Ab 1905 leitete er die Abteilung für physikalische Chemie an der Universität Berlin. 1921 war er Rektor der Schule. Im folgenden Jahr leitete er das neu gegründete Institut für Experimentalphysik. Er hatte diese Ämter bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1933 inne.
Die Verwaltungsaufgaben gingen über die Universität hinaus. Nernst war zwischen 1922 und 1924 Präsident des Deutschen Bundesbüros für physikalische Standards. Diese Positionen verschafften ihm in einer turbulenten Zeit erheblichen Einfluss auf wissenschaftliche Standards und Bildung in Deutschland.
