Third law of thermodynamics
in 1905 werd Nernst benoemd tot hoogleraar en directeur van het tweede chemische Instituut aan de Universiteit van Berlijn en een permanent lid van de Pruisische Academie van Wetenschappen. Het volgende jaar kondigde hij zijn hittestelling, of derde wet van de thermodynamica. Simpel gezegd, de wet stelt dat de entropie (energie niet beschikbaar om werk uit te voeren en een maat voor moleculaire stoornis) van een gesloten systeem neigt naar nul als de temperatuur nadert absolute nul (-273.15 °C, of -459,67 ° F). In praktische termen impliceert deze stelling de onmogelijkheid om het absolute nulpunt te bereiken, aangezien wanneer een systeem het absolute nulpunt nadert, de verdere extractie van energie uit dat systeem steeds moeilijker wordt. De moderne wetenschap heeft temperaturen bereikt van minder dan een miljardste graad boven het absolute nulpunt, maar het absolute nulpunt zelf kan nooit worden bereikt.
de berekening van chemische evenwichten op basis van thermische metingen (zoals reactiewarmte, specifieke warmte en hun thermische coëfficiënten) was een ongrijpbaar doel voor veel van Nernst ‘ s voorgangers. Men had gehoopt dat de richting van een chemische reactie en de omstandigheden waaronder het evenwicht wordt bereikt slechts konden worden berekend op basis van de eerste twee wetten van thermodynamica en thermische metingen. Deze berekeningen werden echter bemoeilijkt door de onbepaalde integratieconstante J, die werd verkregen bij de integratie van de vergelijking Gibbs-Helmholtz die de vrije energieverandering ΔF relateerde aan de verandering van het warmtegehalte ΔH en de entropieverandering ΔS, ΔF = ΔH − TΔS.Nernst ‘ s grote prestatie was het herkennen van het speciale gedrag van ΔF en ΔH als functies van de verandering in temperatuur in de buurt van het absolute nulpunt. Uit de empirische gegevens veronderstelde Nernst dat, als ze het absolute nulpunt naderen, de twee krommen F en H asymptotisch raaklijnt aan elkaar—dat wil zeggen, in de buurt van het absolute nulpunt, ΔF − ΔH → 0 (het verschil nadert nul). Uit deze vorm van de Gibbs-Helmholtz-vergelijking kon vervolgens de integratieconstante worden berekend op basis van calorimetrische metingen in het laboratorium.
oorspronkelijk werd de warmtestelling van Nernst uitsluitend toegepast op gecondenseerde fasen, zoals vaste stoffen. Nernst ging echter verder met het extrapoleren van de geldigheid van zijn stelling naar gasvormige systemen. Daartoe is hij begonnen aan een reeks moeilijke en tijdrovende experimenten bij lage temperaturen, waarbij gasvormige stoffen als in een gecondenseerde fase kunnen worden beschouwd. Tussen 1905 en 1914 ontwierpen Nernst en zijn vele studenten en medewerkers in Berlijn een aantal ingenieuze instrumenten, zoals een waterstof vloeibaar maken, thermometers en calorimeters. Deze werden gebruikt voor de bepaling van specifieke warmte voor een reeks stoffen. In een artikel gepubliceerd in 1907, Albert Einstein had aangetoond dat de nieuwe theorie van de kwantummechanica, aanvankelijk ontwikkeld door de Duitse theoretische fysicus Max Planck in 1900, voorspelt dat, in de buurt van de absolute nultemperatuur, de specifieke warmte van alle vaste stoffen neigen naar het absolute nulpunt. Dus, Nernst ‘ s warmtestelling en zijn empirische resultaten versterkt de revolutionaire kwantumtheorie; omgekeerd was Nernst van mening dat Einstein ’s en Planck’ s werk zijn Wärmetheorem bevestigden en het, denkbaar, als een nieuwe, derde wet van de thermodynamica vaststelde, ondanks het feit dat het niet kon worden afgeleid uit de andere twee wetten. Als gevolg hiervan werd Nernst een van de vroegste oprechte aanhangers van Einstein en kwantummechanica. Nernst was met name behulpzaam bij het organiseren van het eerste Solvay-Congres in de natuurkunde, dat in November 1911 in Brussel werd gehouden en gewijd was aan een grondige evaluatie van de nieuwe kwantumhypothese door een groep vooraanstaande Europese natuurkundigen.