Физики расширяют границы первого закона термодинамики

Команда из Центра физики кинетической плазмы Университета Западной Вирджинии впервые преодолела ограничение, налагаемое первым законом термодинамики: изучая преобразования энергии, происходящие в перегретой плазме в космосе, им удалось распространить этот закон на системы, не находящиеся в равновесии.

Первый принцип термодинамики гласит, что при любом преобразовании в системе, находящейся в равновесии, происходит сохранение энергии. Другими словами, в данной системе энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться, но может преобразовываться в различные формы. «Предположим, вы нагреваете воздушный шар. Первый закон термодинамики говорит вам, насколько расширится шар и насколько нагреется газ внутри шара. Главное, чтобы общее количество энергии, которое заставляет шар расширяться, а газ нагреваться, было равно количеству тепла, подведенного к шару«, — объясняет Пол Кассак, профессор и заместитель директора Центра физики кинетической плазмы.

Этот принцип, сформулированный в 1850 году, используется для описания многих физических систем. «Это один из столпов физики«, — говорит Кассак. Однако он справедлив только для равновесных систем — или очень близких к равновесию — в которых можно правильно определить температуру. Уже более века ученые пытаются распространить этот закон на системы, находящиеся вне равновесия, которые часто встречаются в современной науке.

Уникальные измерения плазмы

Космическая плазма, состоящая из заряженных частиц, является примером системы, далекой от равновесия, и широко распространена во Вселенной. «Слабо сталкивающаяся и не сталкивающаяся плазма обычно далека от локального термодинамического равновесия, и понимание преобразования энергии в этих системах является главной исследовательской проблемой«, — объясняют исследователи в Physical Review Letters.

Кассак и его коллега Хасан Барбуия, научный сотрудник Университета Западной Вирджинии, изучили, как преобразуется энергия в этих космических плазмах при их перегреве, в эксперименте PHASMA (PHAse Space MApping).

Этот уникальный лабораторный эксперимент состоит из трехмерных измерений функций распределения скоростей ионов и электронов по кинетическим шкалам в плазме. На основе функции распределения скоростей можно рассчитать плотность, среднюю скорость потока и температуру каждого вида. Исследуемые плазмы специально разработаны таким образом, чтобы отражать основные свойства плазмы, естественно встречающейся в космосе.

В итоге они смогли обобщить первый закон термодинамики на этот тип системы. «Мы провели расчеты с помощью карандаша и бумаги, чтобы найти количество энергии, связанное с веществом, которое не находится в равновесии, и это работает независимо от того, находится ли система вблизи или вдали от равновесия«, — сказал Кассак.

До сих пор стандартным подходом было рассмотрение только изменений внутренней тепловой энергии и плотности. Новая теория, разработанная двумя исследователями, позволяет рассчитать всю энергию, которая возникает из-за неравновесия. «Мы рассчитываем преобразование энергии, связанное со всеми моментами высшего порядка плотности фазового пространства для систем, которые не находятся в локальном термодинамическом равновесии«, — объясняют они.

Множество потенциальных применений

Как отмечает Дункан Лоример, профессор и исполняющий обязанности заведующего кафедрой физики и астрономии Университета Западной Вирджинии, законов физики, на которых основано все вокруг нас, в конечном счете, немного. Это законы Ньютона, законы электричества и магнетизма, три закона термодинамики и законы квантовой механики. Поэтому работа Кассака и Барбуии является настоящим достижением. «Взять один из этих законов, который существует уже более 150 лет, и улучшить его — это большое достижение«, — сказал он.

Поскольку первый закон термодинамики используется во многих областях, их теория может иметь несколько потенциальных применений. Например, ее можно использовать для изучения низкотемпературной плазмы, которая широко применяется в промышленности для осаждения, травления, обработки поверхности металлов или легирования полупроводников методом ионной имплантации. Это также может иметь значение для исследований ядерного синтеза.

Результаты могут быть полезны во многих других контекстах, связанных с плазмой. Например, они могут помочь астрономам изучить эволюцию галактик во времени или улучшить наше понимание перегретой плазмы, выбрасываемой в космос во время солнечных вспышек, что в свою очередь улучшит прогнозирование космической погоды. «Мы надеемся, что наши результаты смогут использовать ученые в самых разных областях«, — говорит Барбуия.