Nato in quella che oggi è la Polonia nel 1864, Walther Nernst non studiò solo scienze. Ha contribuito a inventarne la comprensione moderna. Questo fisico e chimico tedesco fu uno dei principali architetti della chimica fisica. Il suo lavoro ha colmato il divario tra le leggi energetiche astratte e le reazioni chimiche tangibili.
Per questo vinse il Premio Nobel per la Chimica nel 1920. Nello specifico, era per il suo teorema del calore. Gli scienziati ora la chiamano la terza legge della termodinamica. Ha cambiato il modo in cui comprendiamo l’entropia allo zero assoluto. Ma prima di diventare premio Nobel, era solo uno studente che cercava di capire come si muoveva l’elettricità nei liquidi.
Da studente a ionista
Nernst ha studiato in tutta Europa. Ha colpito i libri a Zurigo. Poi si è trasferito a Graz. Alla fine sbarcò a Berlino. Nel 1887 conseguì il dottorato a Würzburg.
Poi è arrivato il Lipsia. Questa era la fucina di nuove idee. Wilhelm Ostwald dirigeva lo spettacolo lì. Insieme a Jacobus van’t Hoff e Svante Arrhenius, Ostwald stava gettando le basi di un nuovo campo. Si sono concentrati sulle soluzioni. Hanno osservato come l’elettricità e la materia si muovevano attraverso di loro.
Questi ragazzi si chiamavano Ioner (o Ionisti). Dimostrarono che la chimica fisica reggeva sulle proprie gambe. Non era solo una branca della fisica o una sottodisciplina della chimica generale. Era la sua stessa bestia.
Nernst si tuffò. Calcolò i coefficienti di diffusione degli elettroliti. Questi sono sali disciolti in acqua così sottili che interagiscono a malapena. Ha trovato un legame tra mobilità ionica e forza elettromotrice. Lo pubblicò nella sua tesi di abilitazione del 1889.
Questo lavoro ha prodotto l’equazione di Nernst.
L’equazione di Nernst collega la termodinamica alla teoria delle soluzioni elettrochimiche. Rimane uno strumento fondamentale in chimica.
Fu abbastanza significativo da fargli ottenere una cattedra associata a Gottinga nel 1891.
Il Libro di testo e l’Istituto
A Gottinga, Nernst scrisse un enorme libro di testo. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik venne pubblicato nel 1893. I lettori inglesi lo conoscevano come Applicazioni sperimentali e teoriche della termodinamica alla chimica.
Ha sottolineato la legge di Avogadro. Ha sottolineato la termodinamica. Sosteneva che non si potevano trattare i processi chimici senza la fisica. Questa era una posizione coraggiosa all’epoca.
Nel 1894 ricevette offerte da Monaco e Giessen. Li ha rifiutati. Invece, prese una cattedra presso il nuovo Istituto di chimica fisica ed elettrochimica di Gottinga. Era l’unico istituto del suo genere in Germania.
Ha lanciato un programma ambizioso. Ha osservato gli equilibri chimici. Ha studiato la pressione osmotica. Si è tuffato nella teoria delle soluzioni. Era ossessionato dall’elettrochimica.
Ma aveva anche un’attività secondaria. Molto redditizio.
La lampada di Nernst e il Globar
Nernst era ossessionato dalla luce. Ha trascorso un decennio a migliorare la lampada a incandescenza. Ha mescolato l’ossido di zirconio con l’ossido di ittrio. Scoprì che questa miscela conduceva elettricità ad alte temperature. Emetteva una luce bianca brillante.
Iniziò a lavorare su questo nel 1897. Ottenne brevetti in Europa e negli Stati Uniti. La lampada Nernst è stata prodotta dalla Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) di Berlino. Migliaia di loro decorarono il padiglione tedesco all’Esposizione Internazionale di Parigi del 1900.
Era uno spettacolo. Ma il design aveva un difetto. Richiedeva un meccanismo di preriscaldamento. Senza quella scintilla, non inizierebbe. Le lampade hanno avuto un successo limitato. Non sono durati per sempre.
Tuttavia, la chimica è sopravvissuta.
Il dispositivo divenne noto come lo sguardo torvo di Nernst. Oppure il globare di Nernst. Oggi non viene utilizzato per illuminare le case. È uno strumento fondamentale nella spettrofotometria infrarossa risolta nel tempo. Gli scienziati lo usano per studiare le reazioni chimiche in tempo reale.
La lampadina si è guastata. La scienza no.
Nernst fece anche ricerche sui filamenti metallici. Il suo lavoro ha stimolato lo sviluppo delle moderne lampadine convenzionali. Ha contribuito al campo più ampio delle lampadine dielettriche. La sua eredità è un mix di prodotti commerciali falliti e teorie scientifiche fondamentali.
Morì nel 1941 a Zibelle, in Germania. La terra ora fa parte della Polonia. Ha lasciato un quadro per comprendere l’energia. E una piccola bacchetta di ceramica che aiuta i chimici a vedere l’invisibile.
La Terza Legge e lo Zero Impossibile
Max Nernst si era appena ambientato nel suo nuovo ruolo a Berlino. Era un professore, direttore del Secondo Istituto Chimico e membro permanente dell’Accademia delle scienze prussiana. Era il 1906. Annunciò qualcosa di grosso. Il teorema del calore. Più tardi conosciuta come la terza legge della termodinamica.
La definizione è pulita. L’entropia misura il disordine molecolare. È l’energia che un sistema non può utilizzare per svolgere un lavoro. Nernst ha detto che quando un sistema chiuso si raffredda, l’entropia diminuisce. Quando la temperatura raggiunge lo zero assoluto, meno 273,15 gradi Celsius, l’entropia raggiunge lo zero.
C’è un problema. La legge dice anche che non potrai mai arrivarci.
Pensaci. Per raffreddare qualcosa, devi estrarre il calore. Ma quando l’oggetto diventa più freddo, estrarre l’ultimo pezzetto di calore diventa esponenzialmente più difficile. Puoi avvicinarti. I laboratori moderni hanno raffreddato gli oggetti fino a un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Ma il fondo del termometro? Quel muro è solido. Puoi toccarlo. Non potrai mai attraversarlo.
Risolvere il puzzle dell’integrazione
Perché questo era importante per i chimici? Erano bloccati.
Per anni gli scienziati hanno cercato di prevedere gli equilibri chimici utilizzando misurazioni termiche. Calori di reazione. Calori specifici. Volevano sapere in che direzione sarebbe fluita una reazione. Volevano sapere quando si sarebbe fermato. Hanno provato a utilizzare le prime due leggi della termodinamica. Non ha funzionato.
I conti erano sbagliati. Nello specifico, l’equazione di Gibbs-Helmholtz. Mette in relazione la variazione di energia libera ($\Delta F$) con il contenuto di calore ($\Delta H$) e l’entropia ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Per risolverlo bisogna integrare. L’integrazione introduce una costante. Uno indeterminato. Lo chiamavano $J$. Era un fantasma nella macchina. Senza conoscere $J$ i calcoli erano inutili. Avevano le variabili, ma non il pezzo finale del puzzle.
Nernst vedeva il problema in modo diverso. Ha osservato cosa è successo a $\Delta F$ e $\Delta H$ vicino allo zero assoluto.
Ha ipotizzato che questi due valori convergano. Quando la temperatura diminuisce, le curve dell’energia libera e del contenuto di calore diventano tangenti. Corrono paralleli. La differenza tra loro svanisce.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Se la differenza è zero, i conti si semplificano. La sfuggente costante $J$ potrebbe finalmente essere calcolata utilizzando misurazioni di laboratorio. Calorimetria. Dati di calore. Il fantasma è stato scacciato. I chimici potevano ora prevedere le reazioni con una precisione mai esistita prima.
Dimostrarlo al freddo
La legge iniziale aveva dei limiti. Si applicava alle fasi condensate. Solidi. Liquidi.
I gas erano più complicati. A Nernst non piacevano i limiti. Voleva che la legge valesse ovunque. Così ha deciso di testarlo sui gas. Per fare ciò, ha dovuto trasformarli in qualcosa di condensato. Ha dovuto congelarli.
Tra il 1905 e il 1914 l’istituto berlinese divenne una fabbrica del freddo. Nernst, i suoi studenti e i suoi collaboratori costruirono macchine strane e bellissime. Liquefattori di idrogeno. Termometri specializzati. Calorimetri di precisione. Lavoravano nel freddo profondo, misurando i calori specifici per un lungo elenco di sostanze.
Non è stato solo Nernst da solo in questa vittoria. I tempi erano allineati con una rivoluzione nella fisica.
Nel 1907 Albert Einstein pubblicò un articolo. Utilizzò la meccanica quantistica, la nuova teoria nata dal lavoro di Max Planck nel 1900. Einstein predisse che i calori specifici dei solidi sarebbero scesi a zero quando la temperatura si fosse avvicinata allo zero assoluto.
I dati di Nernst corrispondevano. I suoi risultati empirici supportarono l’ipotesi quantistica. E la teoria di Einstein supportava il teorema del calore di Nernst.
È stato un rafforzamento reciproco. I conti hanno funzionato. Gli esperimenti lo hanno dimostrato.
Questa connessione portò Nernst nel cuore del nuovo movimento fisico. Non si è limitato a osservare. Ha organizzato. Ha avuto un ruolo determinante nel Primo Congresso Solvay a Bruxelles. Novembre 1911. Un incontro delle migliori menti europee per analizzare l’ipotesi quantistica.
Nernst divenne uno dei primi sostenitori della meccanica quantistica. Vide la verità in ciò. La terza legge non era solo una nota a piè di pagina termodinamica. È stato un ponte verso una nuova comprensione di come si comporta la materia nel suo limite più fondamentale e più freddo.
Il lavoro è continuato. Gli strumenti sono migliorati. Le temperature sono scese ulteriormente. Ma il limite rimaneva. La porta verso lo zero assoluto è rimasta chiusa.
Gli anni di Berlino e il potere amministrativo
Nernst non era solo un tipo da camice da laboratorio. Durante la prima guerra mondiale, fu impegnato nel lavoro militare e amministrativo. Si è anche dilettato nella ricerca sulla guerra chimica. È stato un periodo buio. I suoi due figli morirono nel conflitto.
La guerra finì. Tornò agli accademici. Gli inseguimenti erano vari. Fotosintesi. Astrofisica. Cosmologia. Ha anche costruito un pianoforte elettronico con amplificazione degli altoparlanti. Il Neo-Bechsteinflügel. Era uno strano mix di arte e scienza.
La sua ascesa accademica fu ripida. Dal 1905 presiedette il dipartimento di chimica fisica dell’Università di Berlino. Nel 1921 era il rettore della scuola. L’anno successivo diresse il neonato Istituto di Fisica Sperimentale. Mantenne questi incarichi fino al pensionamento nel 1933.
I ruoli amministrativi si estendevano oltre l’università. Nernst fu presidente dell’Ufficio nazionale tedesco per gli standard fisici tra il 1922 e il 1924. Queste posizioni gli diedero un’influenza significativa sugli standard scientifici e sull’istruzione in Germania durante un’epoca turbolenta.
