Urodzony w 1864 roku na terenach dzisiejszej Polski Walter Nernst nie tylko studiował nauki ścisłe, ale pomógł ukształtować nasze współczesne jej rozumienie. Ten niemiecki fizyk i chemik stał się jednym z głównych architektów chemii fizycznej. Jego prace łączyły abstrakcyjne prawa energii z konkretnymi reakcjami chemicznymi.
Za to otrzymał w 1920 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Nagrodę przyznano w szczególności za twierdzenie termiczne. Dziś naukowcy nazywają to trzecią zasadą termodynamiki. Zmieniło to nasze rozumienie entropii w temperaturze zera absolutnego. Ale zanim zdobył Nagrodę Nobla, był tylko studentem próbującym zrozumieć, w jaki sposób prąd przepływa przez ciecze.
Od studenta do jonisty
Nernst studiował w różnych krajach europejskich. Studiował w Zurychu, następnie przeniósł się do Grazu. Wreszcie osiadł w Berlinie. W 1887 roku uzyskał doktorat w Würzburgu.
W ślad za nim poszedł Lipsk. Było to centrum nowych idei. Kierował nim Wilhelm Ostwald. Wraz z Jacobusem van’t Hoffem i Svante Arrheniusem Ostwald położył podwaliny pod nowe pole. Skupili się na rozwiązaniach. Badali, jak przepływa przez nie elektryczność i materia.
Ci goście nazywali siebie jonistami (Ionisten). Udowodnili, że chemia fizyczna stoi na własnych nogach. Nie była to tylko gałąź fizyki czy podsekcja chemii ogólnej. Była to niezależna dyscyplina.
Nernst zanurzył się w tej pracy. Obliczył współczynniki dyfuzji dla elektrolitów. Były to sole rozpuszczone w wodzie tak rozcieńczone, że ledwo ze sobą reagowały. Odkrył związek między ruchliwością jonów a siłą elektromotoryczną. Opublikował to w swojej rozprawie habilitacyjnej z 1889 roku.
Praca ta doprowadziła do stworzenia równania Nernsta.
Równanie Nernsta łączy termodynamikę z teorią roztworów elektrochemicznych. Pozostaje podstawowym narzędziem w chemii.
Praca ta była na tyle znacząca, że w 1891 roku zaproponowano mu stanowisko adiunkta w Getyndze.
Podręcznik i instytut
W Getyndze Nernst napisał podręcznik na dużą skalę. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik została opublikowana w 1893 roku. Dla czytelników anglojęzycznych była znana jako Experimental and Theoretical Applications of Thermodynamics to Chemistry.
Nalegał na prawo Avogadra. Nalegał na termodynamikę. Twierdził, że procesów chemicznych nie można rozważać bez fizyki. Było to jak na tamte czasy odważne podejście.
W 1894 otrzymał oferty z Monachium i Giessen. Odmówił im. Zamiast tego objął katedrę w nowo utworzonym Instytucie Chemii Fizycznej i Elektrochemii w Getyndze. Była to jedyna tego typu placówka w Niemczech.
Rozpoczął ambitny program. Studiował równowagę chemiczną. Badał ciśnienie osmotyczne. Zagłębił się w teorię rozwiązań. Obsesyjnie studiował elektrochemię.
Ale miał też projekt poboczny. Bardzo opłacalne.
Lampa Nernsta i globar
Nernst miał obsesję na punkcie światła. Spędził dekadę udoskonalając żarówkę. Zmieszał tlenek cyrkonu z tlenkiem itru. Odkrył, że mieszanina ta przewodzi prąd elektryczny w wysokich temperaturach i emituje jasne, białe światło.
Zaczął nad tym pracować w 1897 roku. Uzyskał patenty w Europie i USA. Firma Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) w Berlinie produkowała lampy Nernst. Tysiące z nich ozdobiło niemiecki pawilon na Międzynarodowej Wystawie w Paryżu w 1900 roku.
To był widok, który warto było zobaczyć. Ale projekt miał wadę: wymagał mechanizmu podgrzewania wstępnego. Bez tej iskry lampa nie uruchomiłaby się. Lampy odniosły ograniczony sukces. Nie służyli długo.
Jednak chemia przetrwała.
Urządzenie stało się znane jako świeca Nernsta. Albo globar Nernsta. Dziś nie służy już do oświetlania domów. Jest to ważne narzędzie w czasowo-rozdzielczej spektrofotometrii w podczerwieni. Naukowcy wykorzystują go do badania reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym.
Żarówka uległa awarii. Nauka – nie.
Nernst badał także nici metaliczne. Jego praca stymulowała rozwój nowoczesnych lamp konwencjonalnych. Wniósł wkład w szerszą dziedzinę lamp dielektrycznych. Jego dziedzictwo to mieszanka nieudanych produktów komercyjnych i podstawowych teorii naukowych.
Zmarł w 1941 w Ziebelle w Niemczech. Ziemia ta jest obecnie częścią Polski. Zostawił 框架 dla zrozumienia energii. I mały ceramiczny pręt, który pomaga chemikom zobaczyć to, co niewidzialne.
Trzecie prawo i niemożność zera
Max Nernst właśnie objął nowe stanowisko w Berlinie. Był profesorem, dyrektorem II Laboratorium Chemicznego i członkiem stałym Pruskiej Akademii Nauk. Był rok 1906. Ogłosił ważne odkrycie. Twierdzenie o cieple. Znana później jako trzecia zasada termodynamiki.
Definicja jest prosta. Entropia mierzy zaburzenie molekularne. Jest to energia, której układ nie może wykorzystać do wykonania pracy. Nernst argumentował, że w miarę ochładzania się układu zamkniętego jego entropia maleje. Kiedy temperatura osiągnie zero absolutne, minus 273,15 stopnia Celsjusza, entropia wynosi zero.
Ale jest niuans. Ustawa stanowi także, że osiągnięcie takiego stanu jest niemożliwe.
Pomyśl o tym. Aby schłodzić obiekt, należy usunąć z niego ciepło. Jednak gdy obiekt się ochładza, usunięcie ostatnich porcji ciepła staje się wykładniczo trudniejsze. Możesz zbliżyć się do celu. Nowoczesne laboratoria schładzają substancje do temperatur jednej miliardowej stopnia powyżej zera absolutnego. Ale dolna część skali termometru? Ta ściana jest nie do przebicia. Można go dotknąć, ale nigdy nie można przez niego przejść.
Rozwiązanie problemu integracji
Dlaczego miało to znaczenie dla chemików? Dotarli do ślepego zaułka.
Przez wiele lat naukowcy próbowali przewidzieć równowagę chemiczną za pomocą pomiarów termicznych. Ciepło reakcji. Specyficzne pojemności cieplne. Chcieli wiedzieć, w jakim kierunku będzie przebiegać reakcja. Chcieli wiedzieć, kiedy przestanie. Próbowali zastosować dwie pierwsze zasady termodynamiki. To nie zadziałało.
Matematyka została zepsuta. Mianowicie równanie Gibbsa-Helmholtza. Wiąże zmianę darmowej energii ($\Delta F$) z zawartością ciepła ($\Delta H$) i entropią ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Aby go rozwiązać, trzeba się zintegrować. Całkowanie wprowadza stałą. Niepewny. Nazwali ją $J$. To był duch w maszynie. Bez znajomości $J$ obliczenia były bezużyteczne. Mieli zmienne, ale brakowało im ostatniego elementu układanki.
Nernst widział problem inaczej. Przyjrzał się temu, co dzieje się z $\Delta F$ i $\Delta H$ w pobliżu zera absolutnego.
Postawił hipotezę, że te dwie wartości są zbieżne. Wraz ze spadkiem temperatury krzywe energii swobodnej i zawartości ciepła stają się styczne. Biegną równolegle. Różnica między nimi znika.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Jeśli różnica wynosi zero, matematyka staje się prostsza. Długo oczekiwaną stałą $J$ można było w końcu obliczyć za pomocą pomiarów laboratoryjnych. Kalorymetria. Dane cieplne. Duch został egzorcyzmowany. Chemicy mogli teraz przewidzieć reakcje z dokładnością, która wcześniej była niemożliwa.
Dowód jest na zimno
Pierwotne prawo miało ograniczenia. Zastosowano go do faz skondensowanych. ciała stałe. Płyny.
Gazy były bardziej złożone. Nernst nie lubił ograniczeń. Chciał, żeby prawo działało wszędzie. Postanowił więc przetestować go na gazach. Aby to zrobić, musiał zamienić je w coś skondensowanego. Musiał je zamrozić.
W latach 1905-1914 Instytut Berliński stał się zakładem chłodniczym. Nernst, jego uczniowie i współpracownicy stworzyli dziwne, piękne maszyny. Instalacje do skraplania wodoru. Termometry specjalistyczne. Kalorymetry precyzyjne. Pracowali w głębokim mrozie, mierząc ciepło specyficzne dla długiej listy substancji.
To nie było zwycięstwo tylko Nernsta. Moment ten zbiegł się z rewolucją w fizyce.
W 1907 roku Albert Einstein opublikował artykuł. Wykorzystał mechanikę kwantową, nową teorię wywodzącą się z prac Maxa Plancka w 1900 roku. Einstein przewidział, że ciepło właściwe ciał stałych będzie dążyć do zera, gdy temperatura osiągnie zero absolutne.
Dane Nernsta były zbieżne. Jego wyniki empiryczne potwierdziły hipotezę kwantową. A teoria Einsteina potwierdziła twierdzenie termiczne Nernsta.
To było wzajemne wzmocnienie. Matematyka zadziałała. Eksperymenty to udowodniły.
To połączenie wciągnęło Nernsta w samo serce nowego ruchu fizycznego. Nie tylko patrzył. Zorganizował. Odegrał kluczową rolę podczas pierwszego Kongresu Solvay w Brukseli. Listopad 1911. Spotkanie najwybitniejszych umysłów Europy w celu analizy hipotezy kwantowej.
Nernst stał się jednym z pierwszych i najbardziej aktywnych zwolenników mechaniki kwantowej. Widział w tym prawdę. Trzecie prawo nie było jedynie przypisem termodynamicznym. Stało się pomostem do nowego zrozumienia zachowania materii na jej najbardziej fundamentalnej, najzimniejszej krawędzi.
Praca była kontynuowana. Urządzenia zostały ulepszone. Temperatury spadały coraz niżej. Ale była granica. Drzwi do zera absolutnego pozostały zamknięte.
Okres berliński i władza administracyjna
Nernst był nie tylko naukowcem eksperymentalnym. W czasie I wojny światowej brał czynny udział w działalności wojskowej i administracyjnej. Brał nawet udział w badaniach nad bronią chemiczną. To był mroczny okres. Obaj jego synowie zginęli podczas konfliktu.
Wojna się skończyła. Wrócił do pracy akademickiej. Jego zainteresowania były różnorodne: fotosynteza, astrofizyka, kosmologia. Stworzył także pianino elektroniczne ze wzmacniaczem głośnikowym – Neo-Bechsteinflügel. Było to dziwne połączenie sztuki i nauki.
Jego kariera akademicka przebiegała pomyślnie. Od 1905 roku kierował katedrą chemii fizycznej na uniwersytecie w Berlinie. W 1921 roku został rektorem uczelni. W następnym roku stał na czele nowo powstałego Instytutu Fizyki Doświadczalnej. Funkcje te piastował aż do przejścia na emeryturę w 1933 roku.
Działalność administracyjna nie ograniczała się do uczelni. Od 1922 do 1924 roku Nernst był prezesem Niemieckiego Krajowego Urzędu ds. Wzorców Fizycznych. Stanowiska te dały mu znaczący wpływ na standardy naukowe i edukację w Niemczech w dobie zawirowań politycznych.
