Né en 1864 dans l’actuelle Pologne, Walther Nernst n’a pas seulement étudié les sciences. Il a contribué à en inventer la compréhension moderne. Ce physicien et chimiste allemand fut l’un des principaux architectes de la chimie physique. Son travail a comblé le fossé entre les lois abstraites de l’énergie et les réactions chimiques tangibles.
Il a reçu pour cela le prix Nobel de chimie en 1920. Plus précisément, c’était pour son théorème de la chaleur. Les scientifiques l’appellent désormais la troisième loi de la thermodynamique. Cela a changé notre façon de comprendre l’entropie au zéro absolu. Mais avant d’être lauréat du prix Nobel, il n’était qu’un étudiant essayant de comprendre comment l’électricité se déplaçait dans les liquides.
D’étudiant à ioniste
Nernst a étudié dans toute l’Europe. Il a fait sensation à Zurich. Puis il s’installe à Graz. Finalement, il atterrit à Berlin. En 1887, il obtenait son doctorat à Würzburg.
Puis vint Leipzig. C’était un foyer d’idées nouvelles. Wilhelm Ostwald y dirigeait le spectacle. Aux côtés de Jacobus van’t Hoff et de Svante Arrhenius, Ostwald posait les bases d’un nouveau domaine. Ils se sont concentrés sur les solutions. Ils ont observé comment l’électricité et la matière les traversaient.
Ces gars-là se faisaient appeler les Ioner (ou Ionistes). Ils ont prouvé que la chimie physique était autonome. Ce n’était pas seulement une branche de la physique ou une sous-discipline de la chimie générale. C’était sa propre bête.
Nernst s’y est lancé. Il a calculé les coefficients de diffusion des électrolytes. Ce sont des sels dissous dans l’eau si finement qu’ils interagissent à peine. Il a découvert un lien entre la mobilité ionique et la force électromotrice. Il l’a publié dans sa thèse d’habilitation de 1889.
Ce travail a produit l’équation de Nernst.
L’équation de Nernst relie la thermodynamique à la théorie des solutions électrochimiques. Cela reste un outil fondamental en chimie.
C’était suffisamment important pour lui permettre d’obtenir un poste de professeur associé à Göttingen en 1891.
Le manuel et l’institut
À Göttingen, Nernst a écrit un énorme manuel. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik est paru en 1893. Les lecteurs anglais le connaissaient sous le nom d’«Applications expérimentales et théoriques de la thermodynamique à la chimie*».
Il a souligné la loi d’Avogadro. Il a insisté sur la thermodynamique. Il a soutenu qu’on ne pouvait pas traiter les processus chimiques sans la physique. C’était une position audacieuse à l’époque.
En 1894, il reçut des offres de Munich et de Giessen. Il les a refusés. Au lieu de cela, il a occupé une chaire à l’Institut de chimie physique et d’électrochimie nouvellement créé à Göttingen. C’était le seul institut de ce type en Allemagne.
Il lance un programme ambitieux. Il a étudié les équilibres chimiques. Il a étudié la pression osmotique. Il s’est plongé dans la théorie des solutions. Il était obsédé par l’électrochimie.
Mais il avait aussi une activité secondaire. Un projet très rentable.
La lampe Nernst et le Globar
Nernst était obsédé par la lumière. Il a passé une décennie à améliorer la lampe à incandescence. Il a mélangé de l’oxyde de zirconium avec de l’oxyde d’yttrium. Il a découvert que ce mélange conduisait l’électricité à haute température. Il émettait une lumière blanche et brillante.
Il a commencé à travailler sur ce sujet en 1897. Il a obtenu des brevets en Europe et aux États-Unis. La Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) de Berlin a fabriqué la lampe Nernst. Des milliers d’entre eux décorèrent le pavillon allemand de l’Exposition internationale de Paris de 1900.
C’était un spectacle. Mais la conception présentait un défaut. Cela nécessitait un mécanisme de préchauffage. Sans cette étincelle, ça ne démarrerait pas. Les lampes eurent un succès limité. Ils n’ont pas duré éternellement.
Pourtant, la chimie a survécu.
L’appareil est devenu connu sous le nom de Nernst glower. Ou le globaire Nernst. Aujourd’hui, il n’est plus utilisé pour éclairer les maisons. Il s’agit d’un instrument essentiel en spectrophotométrie infrarouge résolue en temps. Les scientifiques l’utilisent pour étudier les réactions chimiques en temps réel.
L’ampoule est tombée en panne. Ce n’est pas le cas de la science.
Nernst a également étudié les filaments métalliques. Son travail a stimulé le développement d’ampoules conventionnelles modernes. Il a contribué au domaine plus large des ampoules diélectriques. Son héritage est un mélange de produits commerciaux ayant échoué et de théories scientifiques fondamentales.
Il meurt en 1941 à Zibelle, en Allemagne. Le territoire fait désormais partie de la Pologne. Il a laissé derrière lui un cadre pour comprendre l’énergie. Et une petite tige en céramique qui aide les chimistes à voir l’invisible.
La troisième loi et l’impossible zéro
Max Nernst venait tout juste de s’installer dans son nouveau rôle à Berlin. Il était professeur, directeur du deuxième institut de chimie et membre permanent de l’Académie prussienne des sciences. C’était en 1906. Il annonça quelque chose de grand. Le théorème de la chaleur. Plus tard connue sous le nom de troisième loi de la thermodynamique.
La définition est claire. L’entropie mesure le désordre moléculaire. C’est l’énergie qu’un système ne peut pas utiliser pour effectuer son travail. Nernst a déclaré qu’à mesure qu’un système fermé se refroidit, cette entropie diminue. Lorsque la température atteint le zéro absolu, moins 273,15 degrés Celsius, l’entropie atteint zéro.
Il y a un piège. La loi dit également que vous ne pourrez jamais y arriver.
Pensez-y. Pour refroidir quelque chose, vous devez extraire la chaleur. Mais à mesure que l’objet refroidit, il devient exponentiellement plus difficile d’extraire ce dernier morceau de chaleur. Vous pouvez vous rapprocher. Les laboratoires modernes ont refroidi les choses à un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Mais le bas du thermomètre ? Ce mur est solide. Vous pouvez le toucher. Vous ne pourrez jamais y passer.
Résoudre le casse-tête de l’intégration
Pourquoi est-ce important pour les chimistes ? Ils étaient coincés.
Pendant des années, les scientifiques ont tenté de prédire les équilibres chimiques à l’aide de mesures thermiques. Chaleurs de réaction. Chaleurs spécifiques. Ils voulaient savoir dans quelle direction se déroulerait une réaction. Ils voulaient savoir quand cela s’arrêterait. Ils ont essayé d’utiliser les deux premières lois de la thermodynamique. Cela n’a pas fonctionné.
Le calcul était cassé. Plus précisément, l’équation de Gibbs-Helmholtz. Il relie le changement d’énergie libre ($\Delta F$) au contenu thermique ($\Delta H$) et à l’entropie ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Pour le résoudre, il faut intégrer. L’intégration introduit une constante. Une indéterminée. Ils l’appelaient $J$. C’était un fantôme dans la machine. Sans connaître $J$, les calculs étaient inutiles. Ils disposaient des variables, mais pas de la dernière pièce du puzzle.
Nernst voyait le problème différemment. Il a regardé ce qui est arrivé à $\Delta F$ et $\Delta H$ proches du zéro absolu.
Il a émis l’hypothèse que ces deux valeurs convergent. À mesure que la température baisse, les courbes d’énergie libre et de contenu calorifique deviennent tangentes. Ils fonctionnent en parallèle. La différence entre eux disparaît.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Si la différence est nulle, le calcul se simplifie. La constante insaisissable $J$ pourrait enfin être calculée à l’aide de mesures en laboratoire. Calorimétrie. Données thermiques. Le fantôme a été banni. Les chimistes pouvaient désormais prédire les réactions avec une précision sans précédent.
Le prouver dans le froid
La loi initiale avait des limites. Elle s’applique aux phases condensées. Solides. Liquides.
Les gaz étaient plus délicats. Nernst n’aimait pas les limites. Il voulait que la loi tienne partout. Il a donc décidé de le tester sur les gaz. Pour ce faire, il devait les transformer en quelque chose de condensé. Il a dû les congeler.
Entre 1905 et 1914, l’institut berlinois devient une usine de froid. Nernst, ses étudiants et ses collaborateurs ont construit des machines étranges et magnifiques. Liquéfacteurs d’hydrogène. Thermomètres spécialisés. Calorimètres de précision. Ils travaillaient dans le froid profond, mesurant les chaleurs spécifiques d’une longue liste de substances.
Nernst n’est pas le seul à remporter cette victoire. Le timing s’alignait sur une révolution dans la physique.
En 1907, Albert Einstein publia un article. Il a utilisé la mécanique quantique, la nouvelle théorie née des travaux de Max Planck en 1900. Einstein prédisait que les chaleurs spécifiques des solides tomberaient à zéro à mesure que la température approchait du zéro absolu.
Les données de Nernst concordaient. Ses résultats empiriques soutiennent l’hypothèse quantique. Et la théorie d’Einstein soutenait le théorème de la chaleur de Nernst.
C’était un renforcement mutuel. Le calcul a fonctionné. Les expériences l’ont prouvé.
Cette connexion a placé Nernst au cœur du mouvement de la nouvelle physique. Il ne s’est pas contenté d’observer. Il a organisé. Il a joué un rôle déterminant dans le premier congrès Solvay à Bruxelles. Novembre 1911. Rassemblement des meilleurs esprits d’Europe pour disséquer l’hypothèse quantique.
Nernst est devenu l’un des premiers partisans de la mécanique quantique. Il y a vu la vérité. La troisième loi n’était pas seulement une note thermodynamique. C’était un pont vers une nouvelle compréhension de la façon dont la matière se comporte dans sa partie la plus fondamentale et la plus froide.
Les travaux se sont poursuivis. Les instruments se sont améliorés. Les températures ont encore baissé. Mais la limite restait. La porte du zéro absolu est restée fermée.
Les années berlinoises et le pouvoir administratif
Nernst n’était pas seulement un gars en blouse de laboratoire. Pendant la Première Guerre mondiale, il était engagé dans un travail militaire et administratif. Il s’est même lancé dans la recherche sur la guerre chimique. C’était une période sombre. Ses deux fils sont morts dans le conflit.
La guerre est terminée. Il est retourné aux universitaires. Les activités étaient variées. Photosynthèse. Astrophysique. Cosmologie. Il a également construit un piano électronique avec amplification par haut-parleurs. Le Néo-Bechsteinflügel. C’était un étrange mélange d’art et de science.
Son ascension académique a été abrupte. Il dirige le département de chimie physique de l’Université de Berlin à partir de 1905. En 1921, il devient recteur de l’école. L’année suivante, il dirige le nouvel Institut de physique expérimentale. Il occupe ces postes jusqu’à sa retraite en 1933.
Les rôles administratifs s’étendaient au-delà de l’université. Nernst a été président du bureau national allemand des normes physiques entre 1922 et 1924. Ces postes lui ont donné une influence significative sur les normes scientifiques et l’éducation en Allemagne pendant une époque turbulente.
