Родившись в 1864 году на территории современной Польши, Вальтер Нернст не просто изучал науку — он помог сформировать современное её понимание. Этот немецкий физик и химик стал одним из главных архитекторов физической химии. Его работы соединили абстрактные законы энергии с конкретными химическими реакциями.
За это он получил Нобелевскую премию по химии 1920 года. В частности, премия была присуждена за его тепловую теорему. Сегодня учёные называют её третьим законом термодинамики. Она изменила наше понимание энтропии при абсолютном нуле. Но до того, как стать лауреатом Нобелевской премии, он был всего лишь студентом, пытающимся разобраться в том, как электричество движется через жидкости.
От студента к ионисту
Нернст обучался в разных странах Европы. Он учился в Цюрихе, затем переехал в Грац. Наконец, он обосновался в Берлине. К 1887 году он получил докторскую степень в Вюрцбурге.
Затем последовал Лейпциг. Это был центр новых идей. Там руководил Вильгельм Оствальд. Вместе с Якобусом Вант-Гоффом и Сванте Аррениусом Оствальд закладывал фундамент новой области. Они сосредоточились на растворах. Они изучали, как электричество и материя перемещаются через них.
Эти ребята называли себя ионистами (Ionisten). Они доказали, что физическая химия стоит на собственных ногах. Это была не просто ветвь физики или подраздел общей химии. Это была самостоятельная дисциплина.
Нернст погрузился в эту работу. Он рассчитывал коэффициенты диффузии для электролитов. Это были соли, растворённые в воде настолько разбавленно, что они едва взаимодействовали друг с другом. Он обнаружил связь между подвижностью ионов и электродвижущей силой. Он опубликовал это в своей хабилитационной диссертации 1889 года.
Эта работа привела к созданию уравнения Нернста.
Уравнение Нернста связывает термодинамику с теорией электрохимических растворов. Оно остаётся фундаментальным инструментом в химии.
Эта работа была настолько значимой, что в 1891 году ему предложили должность доцента в Гёттингене.
Учебник и институт
В Гёттингене Нернст написал масштабный учебник. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik вышел в 1893 году. Для англоязычных читателей он был известен как Experimental and Theoretical Applications of Thermodynamics to Chemistry.
Он настаивал на законе Авогадро. Он настаивал на термодинамике. Он утверждал, что нельзя рассматривать химические процессы без физики. Это был смелый подход для того времени.
В 1894 году ему поступили предложения из Мюнхена и Гиссена. Он от них отказался. Вместо этого он занял кафедру в недавно созданном Институте физической химии и электрохимии в Гёттингене. Это был единственный институт такого рода в Германии.
Он запустил амбициозную программу. Он изучал химическое равновесие. Он исследовал осмотическое давление. Он глубоко погружался в теорию растворов. Он одержимо занимался электрохимией.
Но у него был и побочный проект. Очень прибыльный.
Лампа Нернста и глобар
Нернст был одержим светом. Он потратил десятилетие на улучшение лампы накаливания. Он смешал оксид циркония с оксидом иттрия. Он обнаружил, что эта смесь проводит электричество при высоких температурах и излучает яркий белый свет.
Он начал работать над этим в 1897 году. Он получил патенты в Европе и США. Компания Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) в Берлине производила лампы Нернста. Тысячи из них украшали немецкий павильон на Международной выставке в Париже в 1900 году.
Это было зрелище. Но конструкция имела недостаток: требовался механизм предварительного нагрева. Без этого искрения лампа не запускалась. Лампы имели ограниченный успех. Они служили недолго.
Однако химия выжила.
Устройство стало известно как свеча Нернста. Или глобар Нернста. Сегодня оно не используется для освещения домов. Это важный инструмент в временно-разрешающей инфракрасной спектрофотометрии. Учёные используют его для изучения химических реакций в реальном времени.
Лампочка потерпела неудачу. Наука — нет.
Нернст также исследовал металлические нити. Его работа стимулировала развитие современных обычных ламп. Он внёс вклад в более широкую область диэлектрических ламп. Его наследие — это смесь неудачных коммерческих продуктов и фундаментальных научных теорий.
Он умер в 1941 году в Цибелле, Германия. Эта земля теперь является частью Польши. Он оставил после себя框架 для понимания энергии. И маленькую керамическую стержень, который помогает химикам видеть невидимое.
Третий закон и невозможность нуля
Макс Нернст только что занял свое новое место в Берлине. Он был профессором, директором Второй химической лаборатории и постоянным членом Прусской академии наук. Шел 1906 год. Он объявил о важном открытии. Теорема о теплоте. Позже известная как третий закон термодинамики.
Определение простое. Энтропия измеряет молекулярный беспорядок. Это энергия, которую система не может использовать для совершения работы. Нернст утверждал, что по мере охлаждения замкнутой системы ее энтропия снижается. Когда температура достигает абсолютного нуля, минус 273,15 градуса Цельсия, энтропия становится равной нулю.
Но есть нюанс. Закон также гласит, что достичь этого состояния невозможно.
Подумайте об этом. Чтобы охладить объект, нужно отвести от него тепло. Но по мере охлаждения объекта отвести последние порции тепла становится экспоненциально сложнее. Можно приблизиться к цели. Современные лаборатории охлаждали вещества до температуры в миллиардную долю градуса выше абсолютного нуля. Но дно шкалы термометра? Эта стена непроницаема. Вы можете коснуться ее, но никогда не сможете пройти сквозь нее.
Решение задачи интегрирования
Почему это имело значение для химиков? Они зашли в тупик.
На протяжении многих лет ученые пытались предсказывать химическое равновесие, используя термические измерения. Теплоты реакций. Удельные теплоемкости. Они хотели знать, в каком направлении будет протекать реакция. Они хотели знать, когда она остановится. Они пытались использовать первые два закона термодинамики. Это не сработало.
Математика была сломана. А именно, уравнение Гиббса-Гельмгольца. Оно связывает изменение свободной энергии ($\Delta F$) с теплосодержанием ($\Delta H$) и энтропией ($\Delta S$).
$$ \Delta F = \Delta H — T\Delta S $$
Чтобы решить его, необходимо проинтегрировать. Интегрирование вводит константу. Неопределенную. Они называли ее $J$. Это был призрак в машине. Без знания $J$ расчеты были бесполезны. У них были переменные, но не хватало последнего кусочка головоломки.
Нернст увидел проблему иначе. Он посмотрел на то, что происходит с $\Delta F$ и $\Delta H$ вблизи абсолютного нуля.
Он выдвинул гипотезу, что эти два значения сходятся. По мере снижения температуры кривые свободной энергии и теплосодержания становятся касательными. Они идут параллельно. Разница между ними исчезает.
$$ \Delta F — \Delta H \rightarrow 0 $$
Если разница равна нулю, математика упрощается. Долгожданная константа $J$ наконец-то могла быть рассчитана с использованием лабораторных измерений. Калориметрия. Данные о теплоте. Призрак был изгнан. Химики теперь могли предсказывать реакции с точностью, которая ранее была невозможна.
Доказательство в холоде
Изначальный закон имел ограничения. Он применялся к конденсированным фазам. Твердым телам. Жидкостям.
Газы были более сложными. Нернст не любил ограничений. Он хотел, чтобы закон работал везде. Поэтому он решил проверить его на газах. Для этого ему нужно было превратить их в нечто конденсированное. Ему нужно было их заморозить.
В период с 1905 по 1914 год берлинский институт превратился в завод холода. Нернст, его студенты и коллеги создавали странные, красивые машины. Установки для сжижения водорода. Специализированные термометры. Прецизионные калориметры. Они работали в глубоком холоде, измеряя удельные теплоемкости для длинного списка веществ.
Это была не только победа одного Нернста. Совпадение времени совпало с революцией в физике.
В 1907 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью. Он использовал квантовую механику, новую теорию, возникшую из работ Макса Планка 1900 года. Эйнштейн предсказал, что удельные теплоемкости твердых тел будут стремиться к нулю по мере приближения температуры к абсолютному нулю.
Данные Нернста совпали. Его эмпирические результаты поддержали квантовую гипотезу. А теория Эйнштейна подтвердила тепловую теорему Нернста.
Это было взаимное усиление. Математика работала. Эксперименты это доказали.
Эта связь втянула Нернста в самое сердце нового физического движения. Он не просто наблюдал. Он организовывал. Он сыграл ключевую роль в первом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. Ноябрь 1911 года. Встреча лучших умов Европы для анализа квантовой гипотезы.
Нернст стал одним из первых и самых активных сторонников квантовой механики. Он увидел в ней истину. Третий закон был не просто термодинамической сноской. Он стал мостом к новому пониманию того, как ведет себя материя на самом фундаментальном, самом холодном краю.
Работа продолжалась. Приборы совершенствовались. Температуры падали все ниже. Но предел оставался. Дверь к абсолютному нулю оставалась закрытой.
Берлинский период и административная власть
Нернст был не просто ученым-экспериментатором. Во время Первой мировой войны он активно занимался военной и административной деятельностью. Он даже участвовал в исследованиях в области химического оружия. Это был мрачный период. В ходе конфликта погибли оба его сына.
Война закончилась. Он вернулся к академической работе. Его интересы были разнообразны: фотосинтез, астрофизика, космология. Он также создал электронный пианино с усилителем громкости на основе динамиков — Neo-Bechsteinflügel. Это было странное сочетание искусства и науки.
Его академическая карьера шла в гору. Начиная с 1905 года он возглавлял кафедру физической химии Берлинского университета. К 1921 году он стал ректором университета. В следующем году он возглавил только что основанный Институт экспериментальной физики. Он занимал эти должности до выхода на пенсию в 1933 году.
Административная деятельность не ограничивалась университетом. С 1922 по 1924 год Нернст был президентом Немецкого национального бюро физических стандартов. Эти посты давали ему значительное влияние на научные стандарты и образование в Германии в эпоху политических потрясений.
