熱力學第三定律的發現者 - 瓦爾特·能斯特

9/30/2020

他的導師是以催化劑相關研究獲得諾貝爾化學獎的威廉·奧斯特瓦爾德；
他的學生之中，有三位先後獲得諾貝爾物理獎；
身處在師徒五代「諾貝爾豪門」的瓦爾特˙能斯特，
究竟在科學上有什麼貢獻呢？
以下為你揭曉！

Photo credit : Smithsonian Institution via flickr. CC0

瓦爾特˙能斯特(Walther Hermann Nernst，1864-1941)，德國化學家，研究領域涉及物理化學、熱力學、光化學、固態離子學等。他曾在1894年於德國薩克森州的哥廷根市成立物理化學與電化學研究所，且於1905-1933年間在柏林大學擔任物理化學教授，以及實驗物理研究所所長。

能斯特畢生的研究成果可分為下列四大領域：

▍能斯特方程式
能斯特提出的「能斯特方程式」在電化學中是一條用來計算化學電池電壓的公式，而這條公式的誕生有一個很重要的起源 ─「伽凡尼電池」的發明。

伽凡尼電池(Galvanic cell)是一種不需提供外界能量即可自己產生電能的電化電池，由兩種不同的金屬，例如銅(Cu)和鋅(Zn)與含有該金屬離子的電解質溶液組成，藉著溶液中帶電離子的移動，釋出電子，形成電流，進而產生電能。

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然而，不同的金屬對製成的伽凡尼電池，經過檢測後發現電壓並不盡相同。瓦爾特˙能斯特在西元1889年時提出了「溶解的電解壓力(electrolytic pressure of dissolution)」的假設──此電解壓力的數值代表迫使金屬離子從電極進入溶液的最低能量──並藉此推導出「能斯特方程式」，描述了電極電位與溶液濃度的關係式，用以計算伽凡尼電池的平衡電位。

▍能斯特燈
1897年，能斯特發明了一種由二氧化鋯(ZrO2)、氧化釔(Y2O3)、氧化鉺(Er2O3)三種稀土金屬氧化物混和製成的燈絲及白熾陶瓷棒組成的發光裝置，稱作「能斯特燈」或「能斯特發光體」。由於稀土金屬氧化物在室溫下為絕緣體，無法藉由通電產生電流熱效應，故須先與電力加熱燈絲下方的白熾陶瓷棒至2000℃，再藉由陶瓷棒導熱，使燈絲達到放光的效果。

雖然這盞燈得加熱到超級高溫才能發光，但能斯特燈的重要性並不在於實用性，而是它可以產生近紅外線的連續光譜，對光譜學研究影響甚鉅。

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▍熱力學第三定律
1906年，能斯特提出：當一個系統處於熱力學平衡(即系統內等溫的情況下)，且溫度趨近於絕對零度時，全系統熵的變化為零。這個事實代表的意義是什麼呢？

簡單來說就是當溫度「非常接近但並不等於」絕對零度時，無論透過多理想化的過程，我們都沒辦法再改變系統溫度使其降至絕對零度。因此，能斯特可以大膽斷言：「絕對零度是不可能達到的。」由於熱力學第三定律是由能斯特歸納提出的，所以它也被稱為「能斯特定理」或「能斯特假定」。

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▍原子鏈式反應
能斯特藉由觀察氫氣(H2)和氯氣(Cl2)經照光生成氯化氫(HCl)的反應，發現過程中產生的氯自由基(Cl˙)可以和氫氣反應形成產物氯化氫和氫自由基(H˙)，氫自由基又可和氯氣形成產物及氯自由基，而因為自由基可以反覆不斷地生成，此反應理論上便可以一直延續下去不間斷，稱為「鏈式反應」（或稱「連鎖反應」）。