Народившись у 1864 році на території сучасної Польщі, Вальтер Нернст не просто вивчав науку — він допоміг сформувати її сучасне розуміння. Цей німецький фізик та хімік став одним із головних архітекторів фізичної хімії. Його роботи поєднали абстрактні закони енергії із конкретними хімічними реакціями.
За це він отримав Нобелівську премію з хімії 1920 року. Зокрема премію було присуджено за його теплову теорему. Сьогодні вчені називають її третім законом термодинаміки. Вона змінила наше розуміння ентропії за абсолютного нулі. Але до того, як стати лауреатом Нобелівської премії, він був лише студентом, який намагався розібратися в тому, як електрика рухається через рідини.
Від студента до іоніста
Нернст навчався у різних країнах Європи. Він навчався у Цюріху, потім переїхав до Граца. Нарешті він влаштувався в Берліні. До 1887 він отримав докторський ступінь у Вюрцбурзі.
Потім був Лейпциг. То справді був центр нових ідей. Там керував Вільгельм Оствальд. Разом із Якобусом Вант-Гоффом та Сванте Арреніусом Оствальд закладав фундамент нової області. Вони зосередилися на розчинах. Вони вивчали, як електрика та матерія переміщуються через них.
Ці хлопці називали себе іоністами (Ionisten). Вони довели, що фізична хімія стоїть на своїх ногах. Це була не просто галузь фізики чи підрозділ загальної хімії. То була самостійна дисципліна.
Нернст поринув у цю роботу. Він розраховував коефіцієнти дифузії для електролітів. Це були солі, розчинені у воді настільки розбавлено, що вони ледве взаємодіяли одна з одною. Він виявив зв’язок між рухливістю іонів та електрорушійною силою. Він опублікував це у своїй хабілітаційній дисертації 1889 року.
Ця робота призвела до створення рівняння Нернста.
Рівняння Нернста пов’язує термодинаміку з теорією електрохімічних розчинів. Воно залишається фундаментальним інструментом у хімії.
Ця робота була настільки значущою, що в 1891 йому запропонували посаду доцента в Геттінгені.
Підручник та інститут
У Геттінгені Нернст написав масштабний підручник. * Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik * вийшов у 1893 році. Для англомовних читачів він був відомий як “Experimental and Theoretical Applications of Thermodynamics to Chemistry”.
Він наполягав на законі Авогадро. Він наполягав на термодинаміці. Він стверджував, що не можна розглядати хімічні процеси без фізики. Це був сміливий підхід на той час.
У 1894 році йому надійшли пропозиції з Мюнхена та Гіссена. Він від них відмовився. Натомість він зайняв кафедру в нещодавно створеному Інституті фізичної хімії та електрохімії у Геттінгені. Це був єдиний інститут такого роду у Німеччині.
Він запустив амбітну програму. Він вивчав хімічну рівновагу. Він досліджував осмотичний тиск. Він глибоко поринав у теорію розчинів. Він опановано займався електрохімією.
Але він мав і побічний проект. Дуже прибутковий.
Лампа Нернста та глобар
Нернст був одержимий світлом. Він витратив десятиліття поліпшення лампи розжарювання. Він змішав оксид цирконію з оксидом ітрію. Він виявив, що ця суміш проводить електрику за високих температур і випромінює яскраве біле світло.
Він почав працювати над цим у 1897 році. Він отримав патенти у Європі та США. Компанія Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft (AEG) у Берліні виробляла лампи Нернста. Тисячі з них прикрашали німецький павільйон на Міжнародній виставці у Парижі 1900 року.
Це було видовище. Але конструкція мала недолік: був потрібний механізм попереднього нагріву. Без цього іскріння лампа не запускалася. Лампи мали обмежений успіх. Вони служили недовго.
Проте хімія вижила.
Пристрій став відомий як свічка Нернста. Або глобар Нернста. Сьогодні вона не використовується для освітлення будинків. Це важливий інструмент у тимчасово-роздільній інфрачервоній спектрофотометрії. Вчені використовують його для вивчення хімічних реакцій у реальному часі.
Лампочка зазнала невдачі. Наука – ні.
Нернст також досліджував металеві нитки. Його робота стимулювала розвиток сучасних звичайних ламп. Він зробив внесок у ширшу область діелектричних ламп. Його спадщина – це суміш невдалих комерційних продуктів та фундаментальних наукових теорій.
Він помер 1941 року в Цибеллі, Німеччина. Ця земля тепер є частиною Польщі. Він залишив після себе 框架 для розуміння енергії. І маленький керамічний стрижень, який допомагає хімікам бачити невидиме.
Третій закон і неможливість нуля
Макс Нернст щойно зайняв своє нове місце у Берліні. Він був професором, директором Другої хімічної лабораторії та постійним членом Прусської академії наук. Йшов 1906 рік. Він оголосив про важливе відкриття. Теорема про тепло. Пізніше відомий як третій закон термодинаміки.
Визначення просте. Ентропія вимірює молекулярний безлад. Це енергія, яку система не може використовувати для виконання роботи. Нернст стверджував, що з охолодження замкнутої системи її ентропія знижується. Коли температура досягає абсолютного нуля, мінус 273,15 градусів Цельсія, ентропія стає рівною нулю.
Але є нюанс. Закон також свідчить, що цього стану неможливо.
Подумайте про це. Щоб охолодити об’єкт, потрібно відвести тепло. Але з охолодженням об’єкта відвести останні порції тепла стає експоненційно складніше. Можна наблизитись до мети. Сучасні лабораторії охолоджували речовини до температури в мільярдну частку градуса вище за абсолютний нуль. Але ж дно шкали термометра? Ця стіна непроникна. Ви можете торкнутися її, але ніколи не зможете пройти крізь неї.
Розв’язання задачі інтегрування
Чому це мало значення для хіміків? Вони зайшли в глухий кут.
Протягом багатьох років вчені намагалися пророкувати хімічну рівновагу, використовуючи термічні виміри. Теплоти реакцій. Питома теплоємність. Вони хотіли знати, в якому напрямку протікатиме реакція. Вони хотіли знати, коли вона зупиниться. Вони намагалися використати перші два закони термодинаміки. Це не спрацювало.
Математика була зламана. Зокрема, рівняння Гіббса-Гельмгольца. Воно пов’язує зміну вільної енергії ($ Delta F $) з тепломісткістю ($ Delta H $) і ентропією ($ Delta S $).
$$ \Delta F = \Delta H – T\Delta S $$
Щоб вирішити її, необхідно проінтегрувати. Інтегрування запроваджує константу. Невизначену. Вони називали її $J$. Це була примара в машині. Без знання $J$ розрахунки були марними. Вони мали змінні, але не вистачало останнього шматочка головоломки.
Нернст побачив проблему інакше. Він подивився на те, що відбувається з $ Delta F $ і $ Delta H $ поблизу абсолютного нуля.
Він висунув гіпотезу, що ці два значення сходяться. У міру зниження температури криві вільної енергії та тепломістку стають дотичні. Вони йдуть паралельно. Різниця між ними зникає.
$$ \Delta F – \Delta H \rightarrow 0 $$
Якщо різниця дорівнює нулю, математика спрощується. Довгоочікувана константа $J$ могла бути розрахована з використанням лабораторних вимірювань. Калориметрія. Дані про тепло. Примара була вигнана. Хіміки тепер могли пророкувати реакції з точністю, яка раніше була неможлива.
Доказ у холоді
Початковий закон мав обмеження. Він застосовувався до конденсованих фаз. твердим тілам. Рідинам.
Гази були складнішими. Нернст не любив обмежень. Він хотів, щоб закон працював скрізь. Тож він вирішив перевірити його на газах. Для цього йому потрібно було перетворити їх на щось конденсоване. Йому треба було їх заморозити.
У період із 1905 по 1914 рік берлінський інститут перетворився на завод холоду. Нернст, його студенти та колеги створювали дивні, гарні машини. Установки для зрідження водню. Спеціалізовані термометри. Прецизійні калориметри. Вони працювали в глибокому холоді, вимірюючи питомі теплоємності для довгого переліку речовин.
Це була не лише перемога одного Нернста. Збіг часу збіглося з революцією у фізиці.
1907 року Альберт Ейнштейн опублікував статтю. Він використав квантову механіку, нову теорію, що виникла з робіт Макса Планка 1900 року. Ейнштейн передбачив, що питомі теплоємності твердих тіл прагнутимуть до нуля з наближенням температури до абсолютного нуля.
Дані Нернста збіглися. Його емпіричні результати підтримали квантову гіпотезу. А теорія Ейнштейна підтвердила теплову теорему Нернста.
Це було взаємне посилення. Математика працювала. Експерименти це засвідчили.
Цей зв’язок втягнув Нернста в саме серце нового фізичного руху. Він не просто спостерігав. Він організовував. Він відіграв ключову роль у першому Сольвіївському конгресі у Брюсселі. Листопад 1911 року. Зустріч найкращих умов Європи для аналізу квантової гіпотези.
Нернст став одним із перших і найактивніших прихильників квантової механіки. Він побачив у ній істину. Третій закон був не просто термодинамічною виноскою. Він став мостом до нового розуміння того, як поводиться матерія на самому фундаментальному, найхолоднішому краї.
Робота продовжувалася. Прилади вдосконалювалися. Температури падали дедалі нижче. Але межа залишалася. Двері до абсолютного нуля залишалися закритими.
Берлінський період та адміністративна влада
Нернст був не просто вченим-експериментатором. Під час Першої світової війни він активно займався військовою та адміністративною діяльністю. Він навіть брав участь у дослідженнях у галузі хімічної зброї. То справді був похмурий період. У ході конфлікту загинули обидва його сини.
Війна скінчилася. Він повернувся до академічної роботи. Його інтереси були різноманітні: фотосинтез, астрофізика, космологія. Він також створив електронний піаніно з підсилювачем гучності на основі динаміків – “Neo-Bechsteinflügel”. Це було дивне поєднання мистецтва та науки.
Його академічна кар’єра йшла вгору. Починаючи з 1905 року, він очолював кафедру фізичної хімії Берлінського університету. До 1921 він став ректором університету. Наступного року він очолив щойно заснований Інститут експериментальної фізики. Він обіймав ці посади до виходу пенсію 1933 року.
Адміністративна діяльність не обмежувалася університетом. З 1922 до 1924 року Нернст був президентом Німецького національного бюро фізичних стандартів. Ці пости давали йому значний вплив на наукові стандарти та освіту Німеччини в епоху політичних потрясінь.
