Пол Кассак, профессор и заместитель директора Центра физики КИНЕТИЧЕСКОЙ плазмы, и аспирант-исследователь Хасан Барбхуйя, оба с факультета физики и астрономии, изучают, как энергия преобразуется в перегретой плазме в космосе. Их выводы, финансируемые за счет гранта Национального научного фонда и опубликованные в Письма с физическим обзором журнал, обновит понимание учеными того, как разогревается плазма в космосе и лабораториях, и может иметь широкий спектр дальнейших применений в физике и других науках.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но она может быть преобразована в различные формы.

"Предположим, вы разогреваете воздушный шар", - сказал Кассак. "Первый закон термодинамики говорит вам, насколько сильно расширяется воздушный шар и насколько горячее становится газ внутри воздушного шара. Ключ в том, что общее количество энергии, заставляющей воздушный шар расширяться, а газ нагреваться, совпадает с количеством тепла, которое вы вкладываете в воздушный шар. Первый закон использовался для описания многих вещей, включая то, как работают холодильники и автомобильные двигатели. Это один из столпов физики".

Разработанный в 1850-х годах первый закон термодинамики справедлив только для систем, в которых температура может быть правильно определена, состояние, известное как равновесие. Например, при объединении чашка холодной воды и чашка горячей воды в конечном итоге достигнут теплой температуры между ними. Эта теплая температура и есть равновесие. Однако, когда горячая и холодная вода еще не достигли этой конечной точки, вода выходит из равновесия.

Аналогичным образом, во многих областях современной науки системы не находятся в равновесии. Более 100 лет исследователи пытались распространить первый закон на обычные материалы, не находящиеся 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, которая далека 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 расчеты карандашом и бумагой, чтобы определить, сколько энергии связано с тем, что материя не находится в равновесии, и это работает независимо от того, близка система к равновесию или далека 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 в спутниковой связи 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 предоставляет способ рассчитать всю энергию, связанную с нарушением равновесия".

"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 промышленности и производстве схем, а также в других областях, таких как химия и квантовые вычисления. Это также могло бы помочь астрономам изучить, как галактики эволюционируют во времени.

Новаторские исследования, связанные с Cassak и Barbhuiya, проводятся в PHASMA, эксперименте по картированию фазового пространства, в Центре кинетической экспериментальной, теоретической и интегрированной вычислительной физики плазмы WVU.

"PHASMA проводит относящиеся к космосу измерения преобразования энергии в плазме, которая не находится в равновесии. Эти измерения совершенно уникальны во всем мире", - сказал Кассак.

Аналогичным образом, прорыв, которого добились он и Барбхуйя, изменит ландшафт физики плазмы и космоса, что случается нечасто.

"Существует не так много законов физики - 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. "Принять один из этих законов, который существует более 150 лет, и усовершенствовать его - это большое достижение".

"Этот новый результат первых принципов неравновесной статистической механики применительно к плазме является отличным примером академических исследований, проводимых в рамках миссии NSF "способствовать прогрессу науки", - сказал Вячеслав Лукин, программный директор по физике плазмы в отделе физики NSF.

К исследователям WVU в проекте присоединились Хаоминг Лян из Университета Алабамы в Хантсвилле и Мэтью Арголл из Университета Нью-Гэмпшира.