Calorimètre de Nernst

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Cette colonne est née d’une prémisse assez idiote. Que fallait-il pour rendre un scientifique célèbre ? Était-ce l’attribution d’un grand prix, la découverte d’une loi fondamentale, ou peut-être le développement d’un équipement remarquable ? Nous avons opté pour le kit, au motif que certaines pièces – les « Bunsen » par exemple – sont si bien connues que le nom était devenu une métaphore parodique de toute l’entreprise expérimentale.

Et pourtant, il y a des gens qui ne rentrent pas dans ce moule. Oui, ils ont un appareil. Oui, ils ont une fameuse équation. Et pourtant, leur plus grande réussite n’est peut-être pas souvent liée à eux. L’un d’eux était Walther Nernst.

Nernst est né dans ce qui est aujourd’hui la Pologne et son éducation implique quelque chose d’un who’s who de la science. Il a étudié à Zurich et à Berlin mais s’est finalement retrouvé à Graz, où Ludwig Boltzmann était basé. Avec son conseiller de recherche, Albert von Ettinghausen, Nernst a découvert un effet thermoélectrique subtil. Mais il a rédigé sa thèse à Würzburg dans le laboratoire de l’électrochimiste Friedrich Kohlrausch. Sa réputation l’a conduit à Leipzig où Wilhelm Ostwald avait recruté Svante Arrhenius et Jacobus van ‘t Hoff pour développer la chimie physique en une discipline indépendante au même titre que l’organique, l’inorganique et l’analytique. Ici, Nernst a commencé à étudier sérieusement l’électrochimie, sans jamais perdre de vue la grande image thermodynamique.

Finalement, Nernst a été nommé à une chaire à Göttingen où il a écrit son livre Chimie théorique. Dans le livre, il se réfère à deux pierres angulaires : l’hypothèse d’Avogadro, qu’il décrit comme une « corne d’abondance », et les lois de l’énergie. Mais sa réflexion sur les relations thermodynamiques le conduirait à une idée très profonde : que les énergies libre et interne convergeraient vers le zéro absolu. D’abord appelé théorème de Nernst, il est devenu plus tard connu sous le nom de troisième loi de la thermodynamique et a valu à Nernst le prix Nobel de chimie en 1920.

Mais loin d’être un simple théoricien, Nernst était très actif dans le laboratoire. Il a également spéculé sur de gros problèmes, notamment la conversion de l’azote en ammoniac – cela a conduit à de solides discussions avec Fritz Haber qui finirait par résoudre le problème. Il a également inventé une lumière électrique «améliorée», le filament recouvert d’oxydes de terres rares, essentiellement une version à commande électrique du manteau à gaz de Carl Auer von Welsbach. La vente de ce brevet l’a enrichi, même si finalement l’idée n’a abouti à rien.

Nernst a finalement été nommé professeur à Berlin, où l’arrivée de la théorie quantique de Max Planck et de la théorie de la capacité thermique d’Albert Einstein l’a amené à faire des expériences à très basse température dans un laboratoire chaotique que ses étudiants ont décrit comme étant dans un « état d’entropie maximale ». .

En 1909, il demanda à un étudiant, Arnold Eucken, de développer un calorimètre à basse température. Leur appareil comportait un porte-échantillon central suspendu dans le vide au moyen de fils chauffants minces à l’intérieur d’une gaine extérieure argentée. Le vide était assuré par l’une des nouvelles pompes rotatives remplies de mercure de Wolfgang Gaede. La chemise a été placée dans un bain de refroidissement d’air liquide ou de neige carbonique/alcool selon la plage de température. Au début, le porte-échantillon central était en verre argenté, mais la conductivité thermique à l’intérieur du porte-échantillon était si faible que l’équilibrage de la température était très lent. Espérant améliorer la conduction thermique, Eucken a testé le système lorsqu’il était rempli d’hydrogène gazeux. Lorsque cela ne fonctionnait pas, il a redessiné le support en feuille de cuivre, avec six fines bandes de cuivre soudées à l’intérieur. Un fil de platine, qui faisait office de réchauffeur et de thermomètre à résistance, était soigneusement plié en zigzag entre chaque ensemble de bandes de cuivre et isolé avec du papier ciré.

Nernst a fait le travail à basse température lui-même

Avec l’échantillon chargé et le système sous vide poussé, le chauffage commencerait par étapes de 30 secondes, le courant étant surveillé avec un ampèremètre Weston et un voltmètre Siemens – Halske. De cette manière, la capacité calorifique du matériau a pu être méticuleusement mesurée sur une large plage. Nernst était ravi.

Alors que deux de ses étudiants utilisaient un calorimètre légèrement plus simple pour déterminer les capacités calorifiques moyennes d’environ 20 matériaux différents, Nernst effectuait lui-même le travail à basse température, aidé par son assistant de laboratoire Franz Pollitzer. Il y a une excitation palpable dans les journaux de Nernst. Chaque matériau qu’il a testé a montré la baisse progressive de la capacité thermique à basse température, confirmant et étendant considérablement les mesures antérieures faites par James Dewar, son propre théorème et la prédiction d’Einstein.

Nernst se révélera également politiquement habile, convainquant le Kaiser de créer la Kaiser Wilhelm Society (aujourd’hui Max Planck) pour soutenir la recherche. Lorsque la première guerre mondiale a éclaté, Nernst a étudié les explosifs dans son laboratoire et a proposé l’utilisation de gaz lacrymogène pour neutraliser l’ennemi. Après la guerre, Nernst a poursuivi sa science, mais la montée des nazis a tout changé. Ses filles avaient épousé des Juifs et émigré. Il a refusé de signer des formulaires sur ses origines raciales et a tenté de soutenir et de protéger ses collègues juifs, notamment Franz Pollitzer qui s’est enfui à Paris (et sera plus tard déporté à Auschwitz et assassiné). Finalement, Nernst a été renvoyé et il s’est retiré dans son domaine jusqu’à sa mort au début de la guerre.

L’héritage et le courage moral de Nernst sont indéniables. Mais presque tous les chimistes se souviennent de l’équation de Nernst (avec un peu de flou sur les quotients). La troisième loi devrait certainement compter pour quelque chose ?

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