Расширение первого закона термодинамики
На протяжении более 100 лет исследователи пытались расширить первый закон для обычных материалов, не находящихся в равновесии, но такие теории работают только тогда, когда система почти готова — когда горячая и холодная вода почти смешаны. Теории не работают, например, в космической плазме, далекой от равновесия. Работа Кассака и Барбхуйи заполняет пробелы в этом ограничении. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, изменят представление ученых о том, как нагревается плазма в космосе и в лабораториях, и могут найти широкое применение в физике и других науках.
Результаты исследований, проведенных Полом Кассаком, профессором WVU и заместителем директора Центра кинетической физики плазмы WVU, открыли новые горизонты в том, как ученые могут понять первый закон термодинамики и как нагревается плазма в космосе и лабораториях. На этом фото аргоновая плазма светится голубоватым цветом в эксперименте Центра.
Фото: WVU Photo/Брайан Персингер
Физики Университета Западной Вирджинии совершили прорыв в отношении векового ограничения первого закона термодинамики.
Пол Кассак, профессор и заместитель директора Центра кинетической физики плазмы, и аспирант Хасан Барбхуйя, работающие на кафедре физики и астрономии, изучают, как энергия преобразуется в перегретой плазме в космосе .
Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, изменят представление ученых о том, как нагревается плазма в космосе и в лабораториях, и могут найти широкое применение в физике и других науках.
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может быть преобразована в различные формы.
«Предположим, вы нагрели воздушный шар, — сказал Кассак. «Первый закон термодинамики говорит вам, насколько расширяется воздушный шар и насколько горячее становится газ внутри воздушного шара. Суть в том, что общее количество энергии, вызывающее расширение воздушного шара и нагревание газа, равно количеству тепла, которое вы вкладываете в воздушный шар. Первый закон использовался для описания многих вещей, в том числе того, как работают холодильники и автомобильные двигатели. Это один из столпов физики».
Разработанный в 1850-х годах, первый закон термодинамики действителен только для систем, в которых температура может быть правильно определена, состояние, известное как равновесие. Например, при смешивании чашка холодной воды и чашка горячей воды в конечном итоге достигают теплой температуры между ними. Эта теплая температура является равновесием. Однако, когда горячая и холодная вода еще не достигли этой конечной точки, вода выходит из равновесия.
Точно так же во многих областях современной науки системы не находятся в равновесии. На протяжении более 100 лет исследователи пытались расширить первый закон для обычных материалов, не находящихся в равновесии, но такие теории работают только тогда, когда система почти готова — когда горячая и холодная вода почти смешаны. Теории не работают, например, в космической плазме, далекой от равновесия.
Работа Кассака и Барбхуйи заполняет пробелы в этом ограничении.
«Мы обобщили первый закон термодинамики для систем, которые не находятся в равновесии», — сказал Кассак. «Мы провели расчет карандашом и бумагой, чтобы определить, сколько энергии связано с тем, что материя не находится в равновесии, и это работает независимо от того, близка ли система к равновесию или далеко от него».
Их исследования имеют множество потенциальных применений. Теория поможет ученым понять плазму в космосе, что важно для подготовки к космической погоде. Космическая погода возникает, когда огромные извержения в солнечной атмосфере выбрасывают перегретую плазму в космос. Это может вызвать такие проблемы, как перебои в подаче электроэнергии, перебои со спутниковой связью и изменение маршрута самолетов.
«Результат представляет собой действительно большой шаг в нашем понимании», — сказал Кассак. «До сих пор самым современным в нашей области исследований был учет преобразования энергии, связанного только с расширением и нагревом, но наша теория дает способ рассчитать всю энергию, не находясь в равновесии».
«Поскольку первый закон термодинамики так широко используется, — сказал Барбхуйя, — мы надеемся, что ученые в самых разных областях смогут использовать наш результат».
Например, это может быть полезно для изучения низкотемпературной плазмы, которая важна для травления в полупроводниковой и схемотехнической промышленности, а также в других областях, таких как химия и квантовые вычисления. Это также может помочь астрономам изучить эволюцию галактик во времени.
Новаторские исследования, связанные с Кассаком и Барбхуйей, проводятся в рамках PHASMA, эксперимента PHAse Space MApping, в Центре KINetic экспериментальной, теоретической и комплексной вычислительной физики плазмы WVU.
«PHASMA проводит космические измерения преобразования энергии в плазме, которая не находится в равновесии. Эти измерения абсолютно уникальны для всего мира», — сказал Кассак.
Точно так же прорыв, сделанный им и Барбхуйей, изменит ландшафт плазменной и космической физики, что случается нечасто.
«Законов физики не так много — законы Ньютона, законы электричества и магнетизма, три закона термодинамики и законы квантовой механики», — сказал Дункан Лоример, профессор и временно исполняющий обязанности заведующего кафедрой физики и астрономии. «Взять один из этих законов, которому уже более 150 лет, и улучшить его — большое достижение».
«Эти новые первые принципы, приводящие к неравновесной статистической механике применительно к плазме, являются прекрасным примером академических исследований, которые стали возможными благодаря миссии NSF «содействовать прогрессу науки», — сказал Вячеслав Лукин, программный директор по физике плазмы в Институте физики плазмы. Физический отдел NSF.
