Lahir di tempat yang sekarang disebut Polandia pada tahun 1864, Walther Nernst tidak hanya mempelajari sains. Dia membantu menciptakan pemahaman modern tentang hal itu. Fisikawan dan kimiawan Jerman ini adalah salah satu arsitek utama kimia fisik. Karyanya menjembatani kesenjangan antara hukum energi abstrak dan reaksi kimia yang nyata.
Dia memenangkan Hadiah Nobel Kimia tahun 1920 untuk ini. Khususnya, itu untuk teorema panasnya. Para ilmuwan sekarang menyebutnya sebagai hukum ketiga termodinamika. Ini mengubah cara kita memahami entropi pada nol mutlak. Namun sebelum dia menjadi peraih Nobel, dia hanyalah seorang mahasiswa yang mencoba mencari tahu bagaimana listrik berpindah melalui cairan.
Dari Pelajar menjadi Ionis
Nernst belajar di seluruh Eropa. Dia membaca buku di Zurich. Kemudian dia pindah ke Graz. Akhirnya, dia mendarat di Berlin. Pada tahun 1887, ia memperoleh gelar doktor dari Würzburg.
Lalu datanglah Leipzig. Ini adalah sarang ide-ide baru. Wilhelm Ostwald menjalankan pertunjukan di sana. Bersama Jacobus van’t Hoff dan Svante Arrhenius, Ostwald sedang membangun fondasi bidang baru. Mereka fokus pada solusi. Mereka mengamati bagaimana listrik dan materi bergerak melaluinya.
Orang-orang ini menyebut diri mereka Ioner (atau Ionist). Mereka membuktikan bahwa kimia fisik dapat berdiri sendiri. Itu bukan sekedar cabang fisika atau subdisiplin kimia umum. Itu adalah binatang buasnya sendiri.
Nernst terjun. Dia menghitung koefisien difusi untuk elektrolit. Ini adalah garam yang dilarutkan dalam air dengan sangat tipis sehingga hampir tidak berinteraksi. Dia menemukan hubungan antara mobilitas ionik dan gaya gerak listrik. Dia menerbitkan ini dalam tesis habilitasi tahun 1889.
Pekerjaan ini menghasilkan persamaan Nernst.
Persamaan Nernst menghubungkan termodinamika dengan teori larutan elektrokimia. Ini tetap menjadi alat mendasar dalam kimia.
Itu cukup signifikan untuk memberinya gelar profesor di Göttingen pada tahun 1891.
Buku Teks dan Institut
Di Göttingen, Nernst menulis buku teks yang sangat besar. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik diterbitkan pada tahun 1893. Pembaca bahasa Inggris mengenalnya sebagai Aplikasi Eksperimental dan Teoritis Termodinamika pada Kimia.
Dia menekankan hukum Avogadro. Dia menekankan termodinamika. Dia berpendapat bahwa Anda tidak dapat menangani proses kimia tanpa fisika. Ini merupakan sikap yang berani pada saat itu.
Pada tahun 1894, dia mendapat tawaran dari Munich dan Giessen. Dia menolaknya. Sebaliknya, ia mengambil kursi di Institut Kimia Fisika dan Elektrokimia yang baru didirikan di Göttingen. Itu adalah satu-satunya institut sejenis di Jerman.
Dia meluncurkan program ambisius. Dia melihat kesetimbangan kimia. Dia mempelajari tekanan osmotik. Dia mendalami teori solusi. Dia terobsesi dengan elektrokimia.
Tapi dia juga punya pekerjaan sampingan. Sebuah hal yang sangat menguntungkan.
Lampu Nernst dan Globar
Nernst terobsesi dengan cahaya. Dia menghabiskan satu dekade memperbaiki lampu pijar. Dia mencampurkan zirkonium oksida dengan yttrium oksida. Ia menemukan bahwa campuran ini menghantarkan listrik pada suhu tinggi. Itu memancarkan cahaya putih cemerlang.
Dia mulai mengerjakan ini pada tahun 1897. Dia mendapatkan paten di Eropa dan Amerika. Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) di Berlin memproduksi lampu Nernst. Ribuan dari mereka menghiasi paviliun Jerman di Pameran Internasional Paris tahun 1900.
Itu adalah sebuah tontonan. Namun desainnya memiliki kekurangan. Untuk itu diperlukan mekanisme pemanasan awal. Tanpa percikan itu, hal itu tidak akan dimulai. Keberhasilan lampu tersebut terbatas. Itu tidak bertahan selamanya.
Namun, chemistrynya tetap bertahan.
Perangkat ini dikenal sebagai Nernst glower. Atau bola dunia Nernst. Saat ini, itu tidak digunakan untuk penerangan rumah. Ini adalah instrumen penting dalam spektrofotometri inframerah dengan resolusi waktu. Para ilmuwan menggunakannya untuk mempelajari reaksi kimia secara real-time.
Bola lampunya rusak. Sains tidak.
Nernst juga meneliti filamen logam. Karyanya mendorong pengembangan bohlam konvensional modern. Dia berkontribusi pada bidang lampu dielektrik yang lebih luas. Warisannya adalah gabungan antara produk komersial yang gagal dan teori ilmiah yang mendasar.
Dia meninggal pada tahun 1941 di Zibelle, Jerman. Tanah tersebut sekarang menjadi bagian dari Polandia. Dia meninggalkan kerangka untuk memahami energi. Dan batang keramik kecil yang membantu ahli kimia melihat hal yang tak kasat mata.
Hukum Ketiga dan Nol yang Tidak Mungkin
Max Nernst baru saja menjalani peran barunya di Berlin. Dia adalah seorang profesor, direktur Institut Kimia Kedua, dan anggota tetap Akademi Ilmu Pengetahuan Prusia. Saat itu tahun 1906. Dia mengumumkan sesuatu yang besar. Teorema panas. Yang kemudian dikenal dengan hukum ketiga termodinamika.
Definisinya bersih. Entropi mengukur ketidakteraturan molekuler. Ini adalah energi yang tidak dapat digunakan suatu sistem untuk melakukan kerja. Nernst mengatakan bahwa ketika sistem tertutup mendingin, entropinya turun. Saat suhu mencapai nol mutlak, minus 273,15 derajat Celcius, entropi mencapai nol.
Ada tangkapan. Undang-undang juga mengatakan Anda tidak akan pernah bisa mencapainya.
Pikirkan tentang hal ini. Untuk mendinginkan sesuatu, Anda perlu mengeluarkan panasnya. Namun saat objek menjadi lebih dingin, menarik sedikit panas terakhir menjadi lebih sulit secara eksponensial. Anda bisa mendekat. Laboratorium modern telah mendinginkan benda hingga sepersejuta derajat di atas nol mutlak. Tapi bagian bawah termometer? Tembok itu kokoh. Anda bisa menyentuhnya. Anda tidak akan pernah bisa melewatinya.
Memecahkan Puzzle Integrasi
Mengapa hal ini penting bagi ahli kimia? Mereka terjebak.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan mencoba memprediksi kesetimbangan kimia menggunakan pengukuran termal. Reaksi panas. Panas spesifik. Mereka ingin tahu ke arah mana suatu reaksi akan mengalir. Mereka ingin tahu kapan hal itu akan berhenti. Mereka mencoba menggunakan dua hukum termodinamika pertama. Itu tidak berhasil.
Matematikanya rusak. Secara khusus, persamaan Gibbs-Helmholtz. Ini menghubungkan perubahan energi bebas ($\Delta F$) dengan konten panas ($\Delta H$) dan entropi ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Untuk mengatasinya, Anda harus berintegrasi. Integrasi memperkenalkan sebuah konstanta. Yang tidak dapat ditentukan. Mereka menyebutnya $J$. Itu adalah hantu di dalam mesin. Tanpa mengetahui $J$, perhitungannya tidak ada gunanya. Mereka memiliki variabelnya, tetapi bukan bagian akhir dari teka-teki tersebut.
Nernst melihat masalahnya secara berbeda. Dia melihat apa yang terjadi pada $\Delta F$ dan $\Delta H$ mendekati nol mutlak.
Dia berhipotesis bahwa kedua nilai ini bertemu. Ketika suhu turun, kurva energi bebas dan kandungan panas menjadi bersinggungan. Mereka berjalan paralel. Perbedaan di antara mereka lenyap.
$$ \Delta F – \Delta H \panah kanan 0 $$
Jika selisihnya nol, perhitungannya disederhanakan. Konstanta $J$ yang sulit dipahami akhirnya dapat dihitung menggunakan pengukuran laboratorium. Kalorimetri. Data panas. Hantu itu dibuang. Ahli kimia kini dapat memprediksi reaksi dengan presisi yang belum pernah ada sebelumnya.
Membuktikannya dalam Cuaca Dingin
Hukum awal memiliki batasan. Ini diterapkan pada fase kental. Padat. Cairan.
Gas lebih rumit. Nernst tidak menyukai batasan. Dia ingin hukum berlaku di mana-mana. Jadi dia memutuskan untuk mengujinya pada gas. Untuk melakukan itu, dia harus mengubahnya menjadi sesuatu yang kental. Dia harus membekukannya.
Antara tahun 1905 dan 1914, institut Berlin menjadi pabrik pendingin. Nernst, murid-muridnya, dan kolaboratornya membuat mesin yang aneh dan indah. Pencair hidrogen. Termometer khusus. Kalorimeter presisi. Mereka bekerja di suhu yang sangat dingin, mengukur panas spesifik untuk sejumlah besar zat.
Bukan hanya Nernst saja yang meraih kemenangan ini. Waktunya selaras dengan revolusi dalam fisika.
Pada tahun 1907, Albert Einstein menerbitkan sebuah makalah. Ia menggunakan mekanika kuantum, teori baru yang lahir dari karya Max Planck pada tahun 1900. Einstein meramalkan bahwa kalor jenis benda padat akan turun ke nol ketika suhu mendekati nol mutlak.
Data Nernst cocok. Hasil empirisnya mendukung hipotesis kuantum. Dan teori Einstein mendukung teorema kalor Nernst.
Itu adalah saling menguatkan. Perhitungannya berhasil. Eksperimen membuktikannya.
Koneksi ini menarik Nernst ke jantung gerakan fisika baru. Dia tidak sekedar mengamati. Dia mengatur. Dia berperan penting dalam Kongres Solvay Pertama di Brussels. November 1911. Pertemuan para pemikir terbaik Eropa untuk membedah hipotesis kuantum.
Nernst menjadi pendukung awal mekanika kuantum. Dia melihat kebenaran di dalamnya. Hukum ketiga bukan sekedar catatan kaki termodinamika. Ini adalah jembatan menuju pemahaman baru tentang bagaimana materi berperilaku pada titik paling mendasar dan paling dingin.
Pekerjaan berlanjut. Instrumennya membaik. Suhu semakin turun. Namun batasannya tetap ada. Pintu menuju nol mutlak tetap tertutup.
Tahun Berlin dan Kekuasaan Administratif
Nernst bukan hanya seorang pria jas lab. Selama Perang Dunia I, dia terlibat dalam pekerjaan militer dan administrasi. Dia bahkan mencoba-coba penelitian perang kimia. Itu adalah masa yang kelam. Kedua putranya tewas dalam konflik tersebut.
Perang berakhir. Dia kembali ke dunia akademis. Pengejarannya bervariasi. Fotosintesis. Astrofisika. Kosmologi. Dia juga membuat piano elektronik dengan amplifikasi loudspeaker. Neo-Bechsteinflügel. Itu adalah perpaduan yang aneh antara seni dan sains.
Peningkatan akademisnya sangat tajam. Dia memimpin departemen kimia fisik di Universitas Berlin mulai tahun 1905. Pada tahun 1921, dia menjadi rektor sekolah tersebut. Tahun berikutnya, ia memimpin Institut Fisika Eksperimental yang baru didirikan. Dia memegang jabatan ini sampai pensiun pada tahun 1933.
Peran administratif melampaui universitas. Nernst menjabat sebagai presiden biro standar fisik nasional Jerman antara tahun 1922 dan 1924. Posisi ini memberinya pengaruh yang signifikan terhadap standar ilmiah dan pendidikan di Jerman selama era yang penuh gejolak.
