西弗吉尼亞大學(xué)的物理學(xué)家在熱力學(xué)第一定律的一個(gè)古老限制上取得了突破。

動力學(xué)等離子體物理中心教授兼副主任Paul Cassak和物理與天文學(xué)系的研究生研究助理Hasan Barbhuiya正在研究能量如何在太空中轉(zhuǎn)化為過熱等離子體。

他們的研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上，將改變科學(xué)家對太空和實(shí)驗(yàn)室中等離子體如何升溫的理解，并可能在物理學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域有各種各樣的進(jìn)一步應(yīng)用。

熱力學(xué)第一定律指出，能量既不能被創(chuàng)造也不能被破壞，但它可以轉(zhuǎn)化為不同的形式。

“假設(shè)你加熱一個(gè)氣球，”卡薩克說。“熱力學(xué)第一定律告訴你氣球膨脹了多少，氣球內(nèi)的氣體變熱了多少。關(guān)鍵是導(dǎo)致氣球膨脹和氣體變熱的總能量與您放入氣球的熱量相同。第一定律被用來描述許多事情，包括冰箱和汽車發(fā)動機(jī)是如何工作的。它是物理學(xué)的支柱之一。

熱力學(xué)第一定律發(fā)展于1850年代，僅適用于可以正確定義溫度的系統(tǒng)，這種狀態(tài)稱為平衡。例如，當(dāng)一杯冷水和一杯熱水結(jié)合在一起時(shí)，它們之間最終會達(dá)到溫暖的溫度。這種溫暖的溫度就是平衡。然而，當(dāng)熱水和冷水尚未達(dá)到該終點(diǎn)時(shí)，水就失去了平衡。

同樣，在現(xiàn)代科學(xué)的許多領(lǐng)域，系統(tǒng)都處于不平衡狀態(tài)。100多年來，研究人員一直試圖擴(kuò)展非平衡的常見材料的第一定律，但這些理論只有在系統(tǒng)接近時(shí)才有效 - 當(dāng)熱水和冷水幾乎混合時(shí)。例如，這些理論在遠(yuǎn)離平衡的空間等離子體中不起作用。

卡薩克和巴布伊亞的工作填補(bǔ)了這一限制的空白。

“我們對非平衡系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律進(jìn)行了推廣，”卡薩克說。“我們做了一個(gè)鉛筆和紙的計(jì)算，以找出有多少能量與物質(zhì)不處于平衡狀態(tài)有關(guān)，無論系統(tǒng)接近還是遠(yuǎn)離平衡，它都有效。

他們的研究有許多潛在的應(yīng)用。該理論將幫助科學(xué)家了解太空中的等離子體，這對于為太空天氣做準(zhǔn)備非常重要。當(dāng)太陽大氣層中的巨大噴發(fā)將過熱的等離子體爆炸到太空時(shí)，就會發(fā)生空間天氣。它可能會導(dǎo)致停電、衛(wèi)星通信中斷和飛機(jī)改道等問題。

“結(jié)果代表了我們理解的一大步，”卡薩克說。“到目前為止，我們研究領(lǐng)域的最新技術(shù)是僅考慮與膨脹和加熱相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換，但我們的理論提供了一種計(jì)算所有能量的方法。

“因?yàn)闊崃W(xué)第一定律被廣泛使用，”Barbhuiya說，“我們希望各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家可以使用我們的結(jié)果。

例如，它可能可用于研究低溫等離子體 - 這對于半導(dǎo)體和電路工業(yè)中的蝕刻很重要 - 以及化學(xué)和量子計(jì)算等其他領(lǐng)域。它還可能有助于天文學(xué)家研究星系如何隨時(shí)間演變。

與Cassak和Barbhuiya相關(guān)的開創(chuàng)性研究正在WVUKINetic實(shí)驗(yàn)，理論和綜合計(jì)算等離子體物理中心的PHASMA中進(jìn)行，PHAse空間測量實(shí)驗(yàn)。

“PHASMA正在對非平衡等離子體中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行與空間相關(guān)的測量。這些測量在世界范圍內(nèi)是完全獨(dú)一無二的，“卡薩克說。

同樣，他和Barbhuiya取得的突破將改變等離子體和空間物理學(xué)的格局，這一壯舉并不經(jīng)常發(fā)生。

“沒有多少物理定律 - 牛頓定律，電和磁定律，熱力學(xué)三定律和量子力學(xué)定律，”物理和天文學(xué)系教授兼臨時(shí)Duncan Lorimer說。“采用其中一項(xiàng)已有150多年歷史的法律并對其進(jìn)行改進(jìn)是一項(xiàng)重大成就。

“這種新的第一原理導(dǎo)致應(yīng)用于等離子體的非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)是NSF使命'促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步'的學(xué)術(shù)研究的一個(gè)很好的例子，”NSF物理部等離子體物理學(xué)項(xiàng)目主任Vyacheslav Lukin說。

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