Nacido en lo que hoy es Polonia en 1864, Walther Nernst no se limitó a estudiar ciencias. Ayudó a inventar la comprensión moderna del mismo. Este físico y químico alemán fue uno de los principales arquitectos de la química física. Su trabajo cerró la brecha entre las leyes energéticas abstractas y las reacciones químicas tangibles.
Por ello ganó el Premio Nobel de Química en 1920. Específicamente, fue por su teorema del calor. Los científicos ahora lo llaman la tercera ley de la termodinámica. Cambió la forma en que entendemos la entropía en el cero absoluto. Pero antes de ser premio Nobel, era sólo un estudiante que intentaba descubrir cómo se movía la electricidad a través de los líquidos.
De estudiante a ionista
Nernst estudió en toda Europa. Empezó a estudiar en Zurich. Luego se mudó a Graz. Finalmente aterrizó en Berlín. En 1887 obtuvo su doctorado en Würzburg.
Luego vino Leipzig. Este fue el semillero de nuevas ideas. Wilhelm Ostwald dirigió el espectáculo allí. Junto a Jacobus van’t Hoff y Svante Arrhenius, Ostwald estaba sentando las bases de un nuevo campo. Se centraron en las soluciones. Observaron cómo la electricidad y la materia se movían a través de ellos.
Estos tipos se llamaban a sí mismos Ioner (o ionistas). Demostraron que la química física se sostiene por sí sola. No era sólo una rama de la física o una subdisciplina de la química general. Era su propia bestia.
Nernst se sumergió. Calculó los coeficientes de difusión de los electrolitos. Son sales disueltas en agua tan finas que apenas interactúan. Encontró un vínculo entre la movilidad iónica y la fuerza electromotriz. Publicó esto en su tesis de habilitación de 1889.
Este trabajo produjo la ecuación de Nernst.
La ecuación de Nernst conecta la termodinámica con la teoría de soluciones electroquímicas. Sigue siendo una herramienta fundamental en química.
Fue lo suficientemente importante como para conseguirle una cátedra asociada en Göttingen en 1891.
El libro de texto y el instituto
En Gotinga, Nernst escribió un enorme libro de texto. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik salió a la luz en 1893. Los lectores ingleses lo conocían como Aplicaciones experimentales y teóricas de la termodinámica a la química.
Hizo hincapié en la ley de Avogadro. Hizo hincapié en la termodinámica. Sostuvo que no se podían tratar los procesos químicos sin la física. Esta fue una postura audaz en ese momento.
En 1894 recibió ofertas de Munich y Giessen. Él los rechazó. En cambio, ocupó una cátedra en el recién creado Instituto de Química Física y Electroquímica de Göttingen. Era el único instituto de este tipo en Alemania.
Lanzó un ambicioso programa. Observó los equilibrios químicos. Estudió la presión osmótica. Se sumergió en la teoría de la solución. Estaba obsesionado con la electroquímica.
Pero también tenía un trabajo secundario. Uno muy rentable.
La lámpara Nernst y el Globar
Nernst estaba obsesionado con la luz. Pasó una década mejorando la lámpara incandescente. Mezcló óxido de circonio con óxido de itrio. Descubrió que esta mezcla conducía electricidad a altas temperaturas. Emitió una luz blanca brillante.
Comenzó a trabajar en esto en 1897. Obtuvo patentes en Europa y Estados Unidos. La Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) de Berlín fabricó la lámpara Nernst. Miles de ellos decoraron el pabellón alemán en la Exposición Internacional de París de 1900.
Fue un espectáculo. Pero el diseño tenía un defecto. Requería un mecanismo de precalentamiento. Sin esa chispa, no arrancaría. Las lámparas tuvieron un éxito limitado. No duraron para siempre.
Sin embargo, la química sobrevivió.
El dispositivo pasó a ser conocido como la mirada de Nernst. O el globo Nernst. Hoy en día, no se utiliza para iluminar las casas. Es un instrumento fundamental en la espectrofotometría infrarroja de resolución temporal. Los científicos lo utilizan para estudiar reacciones químicas en tiempo real.
La bombilla falló. La ciencia no lo hizo.
Nernst también investigó los filamentos metálicos. Su trabajo impulsó el desarrollo de bombillas convencionales modernas. Contribuyó al campo más amplio de las bombillas dieléctricas. Su legado es una mezcla de productos comerciales fallidos y teoría científica fundamental.
Murió en 1941 en Zibelle, Alemania. La tierra ahora es parte de Polonia. Dejó un marco para comprender la energía. Y una pequeña varilla de cerámica que ayuda a los químicos a ver lo invisible.
La Tercera Ley y el Cero Imposible
Max Nernst acababa de adaptarse a su nuevo papel en Berlín. Fue profesor, director del Segundo Instituto de Química y miembro permanente de la Academia de Ciencias de Prusia. Era 1906. Anunció algo grande. El teorema del calor. Más tarde conocida como la tercera ley de la termodinámica.
La definición es limpia. La entropía mide el desorden molecular. Es la energía que un sistema no puede utilizar para realizar trabajo. Nernst dijo que cuando un sistema cerrado se enfría, la entropía cae. Cuando la temperatura alcanza el cero absoluto, menos 273,15 grados Celsius, la entropía llega a cero.
Hay una trampa. La ley también dice que nunca podrás llegar allí.
Piénselo. Para enfriar algo, es necesario extraer el calor. Pero a medida que el objeto se enfría, extraer ese último trozo de calor se vuelve exponencialmente más difícil. Puedes acercarte. Los laboratorios modernos han enfriado cosas a una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. ¿Pero el fondo del termómetro? Ese muro es sólido. Puedes tocarlo. Nunca podrás atravesarlo.
Resolviendo el rompecabezas de la integración
¿Por qué les importaba esto a los químicos? Estaban estancados.
Durante años, los científicos intentaron predecir los equilibrios químicos mediante mediciones térmicas. Calores de reacción. Calores específicos. Querían saber en qué dirección fluiría una reacción. Querían saber cuándo terminaría. Intentaron utilizar las dos primeras leyes de la termodinámica. No funcionó.
Las matemáticas estaban rotas. En concreto, la ecuación de Gibbs-Helmholtz. Relaciona el cambio de energía libre ($\Delta F$) con el contenido de calor ($\Delta H$) y la entropía ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Para solucionarlo hay que integrarse. La integración introduce una constante. Uno indeterminado. Lo llamaron $J$. Era un fantasma en la máquina. Sin conocer $J$, los cálculos fueron inútiles. Tenían las variables, pero no la pieza final del rompecabezas.
Nernst vio el problema de otra manera. Observó lo que sucedió con $\Delta F$ y $\Delta H$ cerca del cero absoluto.
Planteó la hipótesis de que estos dos valores convergen. A medida que la temperatura desciende, las curvas de energía libre y contenido de calor se vuelven tangentes. Corren paralelos. La diferencia entre ellos se desvanece.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Si la diferencia es cero, las matemáticas se simplifican. La elusiva constante $J$ finalmente podría calcularse utilizando mediciones de laboratorio. Calorimetría. Datos de calor. El fantasma fue desterrado. Los químicos ahora podían predecir reacciones con una precisión que nunca antes había existido.
Probándolo en el frío
La ley inicial tenía límites. Se aplicó a fases condensadas. Sólidos. Líquidos.
Los gases eran más complicados. A Nernst no le gustaban los límites. Quería que la ley se aplicara en todas partes. Entonces decidió probarlo con gases. Para ello, tuvo que convertirlos en algo condensado. Tuvo que congelarlos.
Entre 1905 y 1914, el instituto de Berlín se convirtió en una fábrica de frío. Nernst, sus alumnos y sus colaboradores construyeron máquinas extrañas y hermosas. Licuadores de hidrógeno. Termómetros especializados. Calorímetros de precisión. Trabajaron en un frío intenso, midiendo calores específicos para una larga lista de sustancias.
No fue sólo Nernst el único en esta victoria. El momento coincidía con una revolución en la física.
En 1907, Albert Einstein publicó un artículo. Utilizó la mecánica cuántica, la nueva teoría nacida del trabajo de Max Planck en 1900. Einstein predijo que los calores específicos de los sólidos caerían a cero a medida que la temperatura se acercara al cero absoluto.
Los datos de Nernst coincidían. Sus resultados empíricos apoyaron la hipótesis cuántica. Y la teoría de Einstein apoyaba el teorema del calor de Nernst.
Fue un refuerzo mutuo. Las matemáticas funcionaron. Los experimentos lo demostraron.
Esta conexión llevó a Nernst al corazón del nuevo movimiento de la física. No se limitó a observar. Él organizó. Jugó un papel decisivo en el Primer Congreso Solvay en Bruselas. Noviembre de 1911. Una reunión de las mejores mentes de Europa para analizar la hipótesis cuántica.
Nernst se convirtió en uno de los primeros defensores de la mecánica cuántica. Vio la verdad en ello. La tercera ley no era sólo una nota a pie de página termodinámica. Fue un puente hacia una nueva comprensión de cómo se comporta la materia en su borde más fundamental y más frío.
El trabajo continuó. Los instrumentos mejoraron. Las temperaturas bajaron aún más. Pero el límite permaneció. La puerta al cero absoluto permaneció cerrada.
Los años de Berlín y el poder administrativo
Nernst no era sólo un tipo con bata de laboratorio. Durante la Primera Guerra Mundial, estuvo inmerso en el trabajo militar y administrativo. Incluso incursionó en la investigación de la guerra química. Fue un período oscuro. Sus dos hijos murieron en el conflicto.
La guerra terminó. Regresó a lo académico. Las persecuciones fueron variadas. Fotosíntesis. Astrofísica. Cosmología. También construyó un piano electrónico con amplificación por altavoz. El Neo-Bechsteinflügel. Era una extraña mezcla de arte y ciencia.
Su ascenso académico fue pronunciado. Presidió el departamento de química física de la Universidad de Berlín a partir de 1905. En 1921, era rector de la escuela. Al año siguiente dirigió el recién fundado Instituto de Física Experimental. Ocupó estos cargos hasta su jubilación en 1933.
Las funciones administrativas se extendieron más allá de la universidad. Nernst se desempeñó como presidente de la oficina nacional alemana de estándares físicos entre 1922 y 1924. Estos puestos le dieron una influencia significativa sobre los estándares científicos y la educación en Alemania durante una era turbulenta.
