Nascido onde hoje é a Polônia, em 1864, Walther Nernst não estudou apenas ciências. Ele ajudou a inventar a compreensão moderna disso. Este físico e químico alemão foi um dos principais arquitetos da físico-química. Seu trabalho preencheu a lacuna entre as leis abstratas da energia e as reações químicas tangíveis.
Ele ganhou o Prêmio Nobel de Química de 1920 por isso. Especificamente, foi para o seu teorema do calor. Os cientistas agora chamam isso de terceira lei da termodinâmica. Mudou a forma como entendemos a entropia no zero absoluto. Mas antes de ser ganhador do Nobel, ele era apenas um estudante tentando descobrir como a eletricidade se movia através dos líquidos.
De estudante a ionista
Nernst estudou em toda a Europa. Ele fez sucesso em Zurique. Depois mudou-se para Graz. Finalmente, ele desembarcou em Berlim. Em 1887, ele obteve seu doutorado em Würzburg.
Depois veio Leipzig. Este foi o foco de novas ideias. Wilhelm Ostwald comandou o show lá. Ao lado de Jacobus van’t Hoff e Svante Arrhenius, Ostwald estava construindo as bases de um novo campo. Eles se concentraram em soluções. Eles observaram como a eletricidade e a matéria se moviam através deles.
Esses caras se autodenominavam Ioner (ou Ionistas). Eles provaram que a físico-química se sustentava por conta própria. Não era apenas um ramo da física ou uma subdisciplina da química geral. Era sua própria fera.
Nernst mergulhou de cabeça. Ele calculou os coeficientes de difusão para eletrólitos. São sais dissolvidos em água tão finos que mal interagem. Ele encontrou uma ligação entre mobilidade iônica e força eletromotriz. Ele publicou isso em sua tese de habilitação de 1889.
Este trabalho produziu a equação de Nernst.
A equação de Nernst conecta a termodinâmica à teoria da solução eletroquímica. Continua sendo uma ferramenta fundamental em química.
Foi significativo o suficiente para que ele conseguisse um cargo de professor associado em Göttingen em 1891.
O Livro Didático e o Instituto
Em Göttingen, Nernst escreveu um enorme livro. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik foi publicado em 1893. Os leitores ingleses o conheciam como Aplicações Experimentais e Teóricas da Termodinâmica à Química.
Ele enfatizou a lei de Avogadro. Ele enfatizou a termodinâmica. Ele argumentou que não seria possível tratar processos químicos sem física. Esta foi uma postura ousada na época.
Em 1894 recebeu ofertas de Munique e Giessen. Ele recusou. Em vez disso, ele assumiu uma cátedra no recém-criado Instituto de Físico-Química e Eletroquímica em Göttingen. Foi o único instituto desse tipo na Alemanha.
Ele lançou um programa ambicioso. Ele olhou para o equilíbrio químico. Ele estudou a pressão osmótica. Ele mergulhou na teoria da solução. Ele era obcecado por eletroquímica.
Mas ele também teve uma agitação lateral. Muito lucrativo.
A Lâmpada Nernst e o Globar
Nernst era obcecado pela luz. Ele passou uma década melhorando a lâmpada incandescente. Ele misturou óxido de zircônio com óxido de ítrio. Ele descobriu que essa mistura conduzia eletricidade em altas temperaturas. Emitia uma luz branca brilhante.
Ele começou a trabalhar nisso em 1897. Ele garantiu patentes na Europa e nos EUA. A Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) em Berlim fabricou a lâmpada Nernst. Milhares deles decoraram o pavilhão alemão na Exposição Internacional de Paris de 1900.
Foi um espetáculo. Mas o design tinha uma falha. É necessário um mecanismo de pré-aquecimento. Sem essa faísca, não começaria. As lâmpadas tiveram sucesso limitado. Eles não duraram para sempre.
No entanto, a química sobreviveu.
O dispositivo ficou conhecido como olhar furioso de Nernst. Ou o Nernst global. Hoje, não é usado para iluminar residências. É um instrumento crítico em espectrofotometria infravermelha resolvida no tempo. Os cientistas o usam para estudar reações químicas em tempo real.
A lâmpada falhou. A ciência não.
Nernst também pesquisou filamentos metálicos. Seu trabalho estimulou o desenvolvimento de lâmpadas convencionais modernas. Ele contribuiu para o campo mais amplo das lâmpadas dielétricas. Seu legado é uma mistura de produtos comerciais fracassados e teoria científica fundamental.
Ele morreu em 1941 em Zibelle, Alemanha. A terra agora faz parte da Polônia. Ele deixou para trás uma estrutura para a compreensão da energia. E uma pequena haste de cerâmica que ajuda os químicos a ver o invisível.
A Terceira Lei e o Zero Impossível
Max Nernst acabara de assumir seu novo cargo em Berlim. Ele foi professor, diretor do Segundo Instituto Químico e membro permanente da Academia Prussiana de Ciências. Era 1906. Ele anunciou algo grande. O teorema do calor. Mais tarde conhecida como terceira lei da termodinâmica.
A definição é limpa. A entropia mede a desordem molecular. É a energia que um sistema não pode usar para realizar trabalho. Nernst disse que à medida que um sistema fechado esfria, a entropia cai. À medida que a temperatura atinge o zero absoluto, menos 273,15 graus Celsius, a entropia atinge o zero.
Há um problema. A lei também diz que você nunca poderá realmente chegar lá.
Pense nisso. Para resfriar algo, você precisa retirar o calor. Mas à medida que o objeto fica mais frio, extrair o último pedaço de calor torna-se exponencialmente mais difícil. Você pode chegar perto. Os laboratórios modernos resfriaram as coisas até um bilionésimo de grau acima do zero absoluto. Mas a parte inferior do termômetro? Essa parede é sólida. Você pode tocá-lo. Você nunca poderá passar por isso.
Resolvendo o quebra-cabeça da integração
Por que isso importava para os químicos? Eles estavam presos.
Durante anos, os cientistas tentaram prever o equilíbrio químico usando medições térmicas. Calores de reação. Calores específicos. Eles queriam saber em que direção uma reação fluiria. Eles queriam saber quando isso iria parar. Eles tentaram usar as duas primeiras leis da termodinâmica. Não funcionou.
A matemática estava quebrada. Especificamente, a equação de Gibbs-Helmholtz. Relaciona a mudança de energia livre ($\Delta F$) ao conteúdo de calor ($\Delta H$) e à entropia ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Para resolver isso é preciso integrar. A integração introduz uma constante. Um indeterminado. Eles chamaram isso de $J$. Era um fantasma na máquina. Sem saber $J$, os cálculos eram inúteis. Eles tinham as variáveis, mas não a peça final do quebra-cabeça.
Nernst viu o problema de forma diferente. Ele observou o que aconteceu com $\Delta F$ e $\Delta H$ perto do zero absoluto.
Ele levantou a hipótese de que esses dois valores convergem. À medida que a temperatura cai, as curvas de energia livre e conteúdo de calor tornam-se tangentes. Eles correm em paralelo. A diferença entre eles desaparece.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Se a diferença for zero, a matemática simplifica. A indescritível constante $J$ poderia finalmente ser calculada usando medições de laboratório. Calorimetria. Dados de calor. O fantasma foi banido. Os químicos agora podiam prever reações com uma precisão que nunca existiu antes.
Provando isso no frio
A lei inicial tinha limites. É aplicado a fases condensadas. Sólidos. Líquidos.
Os gases eram mais complicados. Nernst não gostava de limites. Ele queria que a lei fosse válida em todos os lugares. Então ele decidiu testá-lo com gases. Para fazer isso, ele teve que transformá-los em algo condensado. Ele teve que congelá-los.
Entre 1905 e 1914, o instituto de Berlim tornou-se uma fábrica de frio. Nernst, seus alunos e colaboradores construíram máquinas lindas e estranhas. Liquefadores de hidrogênio. Termômetros especializados. Calorímetros de precisão. Eles trabalharam no frio intenso, medindo calores específicos para uma longa lista de substâncias.
Não foi apenas Nernst sozinho nesta vitória. O momento se alinhou com uma revolução na física.
Em 1907, Albert Einstein publicou um artigo. Ele usou a mecânica quântica, a nova teoria nascida do trabalho de Max Planck em 1900. Einstein previu que os calores específicos dos sólidos cairiam para zero à medida que a temperatura se aproximasse do zero absoluto.
Os dados de Nernst coincidem. Seus resultados empíricos apoiaram a hipótese quântica. E a teoria de Einstein apoiou o teorema do calor de Nernst.
Foi um reforço mútuo. A matemática funcionou. Os experimentos provaram isso.
Essa conexão puxou Nernst para o coração do novo movimento da física. Ele não apenas observou. Ele organizou. Ele foi fundamental no Primeiro Congresso Solvay em Bruxelas. Novembro de 1911. Uma reunião das melhores mentes da Europa para dissecar a hipótese quântica.
Nernst tornou-se um dos primeiros defensores da mecânica quântica. Ele viu a verdade nisso. A terceira lei não era apenas uma nota de rodapé termodinâmica. Foi uma ponte para uma nova compreensão de como a matéria se comporta no seu limite mais fundamental e mais frio.
O trabalho continuou. Os instrumentos melhoraram. As temperaturas caíram ainda mais. Mas o limite permaneceu. A porta para o zero absoluto permaneceu fechada.
Os anos de Berlim e o poder administrativo
Nernst não era apenas um cara de jaleco. Durante a Primeira Guerra Mundial, ele se dedicou profundamente ao trabalho militar e administrativo. Ele até se envolveu em pesquisas sobre guerra química. Foi um período sombrio. Seus dois filhos morreram no conflito.
A guerra terminou. Ele voltou para a academia. As atividades eram variadas. Fotossíntese. Astrofísica. Cosmologia. Ele também construiu um piano eletrônico com amplificação de alto-falante. O Neo-Bechsteinflügel. Foi uma estranha mistura de arte e ciência.
Sua ascensão acadêmica foi acentuada. Ele presidiu o departamento de físico-química da Universidade de Berlim a partir de 1905. Em 1921, era reitor da escola. No ano seguinte, dirigiu o recém-fundado Instituto de Física Experimental. Ele ocupou esses cargos até se aposentar em 1933.
As funções administrativas estendiam-se além da universidade. Nernst serviu como presidente do escritório nacional alemão de padrões físicos entre 1922 e 1924. Essas posições deram-lhe uma influência significativa sobre os padrões científicos e a educação na Alemanha durante uma era turbulenta.
