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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!
熱力學第三定律的發現者 - 瓦爾特·能斯特, 知識文章, LiFe生活化學
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。


能斯特方程式, 伽凡尼電池, 知識文章, LiFe生活化學
Photo credit : Siyavula Education via flickr. CC BY 2.0

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。
能斯特燈, 知識文章, LiFe生活化學
Photo credit : trentv11182 via flickr. CC BY 2.0


▍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」。

能斯特, 知識文章, LiFe生活化學
Photo credit : pedrik via flickr. CC BY 2.0

▍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」)。

鍊子, 能斯特, 知識文章, LiFe生活化學
Photo credit : tanakawho via flickr. CC BY-NC 2.0


另外,能斯特也因為在熱力學領域的研究與發現,於1920年獲得了諾貝爾化學獎,以表彰他對化學熱力學有重要的貢獻。
 
能斯特在物理化學以及熱力學的研究真的是碩果累累!也多虧有能斯特,人類對於熱學的理解才能更上一層樓。
 
 
 
By 對物化又愛又恨的Ne小編
 
 

延伸閱讀:
創造狂犬疫苗的微生物學之父 - 路易·巴斯德
【化學家】惰性氣體發現者-威廉·拉姆齊

 
 
參考資料:

• https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1920/nernst/biographical/
•​ https://history.aip.org/phn/11807003.html
• https://edisontechcenter.org/NernstLamps.html
•​ https://www.nature.com/articles/ncomms14538
• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cr60026a003

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