Odkrycia badawcze prowadzone przez Paula Cassaka, profesora WVU i zastępcę dyrektora WVU Center for KINETIC Plasma Physics, otworzyły nowy grunt pod tym, jak naukowcy mogą zrozumieć pierwszą zasadę termodynamiki i jak nagrzewają się plazmy w kosmosie i laboratoriach. Na tym zdjęciu plazma argonowa świeci niebieskawym kolorem w eksperymencie Centrum. Źródło: zdjęcie WVU/Brian Persinger

Fizycy z West Virginia University przezwyciężyli długotrwałe ograniczenie pierwszej zasady termodynamiki.

Paul Cassak, profesor i zastępca dyrektora Center for KINETIC Plasma Physics na West Virginia University oraz Hasan Barbhuiya, asystent naukowy na Wydziale Fizyki i Astronomii, badają konwersję energii w przegrzanej plazmie w kosmosie. Finansowane przez Narodową Fundację Nauki, ich odkrycia, opublikowane w czasopiśmie Czasopismo Physical Review Lettersmają zrewolucjonizować rozumienie sposobu ogrzewania plazmy w kosmosie i laboratoriach i mogą mieć daleko idące implikacje w fizyce i innych naukach.

Paul Cassak, profesor Wydziału Fizyki i Astronomii WVU oraz zastępca dyrektora WVU Center for KINETIC Plasma Physics. Źródło: zdjęcie WVU

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć, ale można ją przekształcić w różne formy.

„Załóżmy, że podgrzewasz balon” – powiedział Cassak. „Pierwsza zasada termodynamiki mówi, jak bardzo balon się rozszerza i o ile gorętszy staje się gaz wewnątrz balonu. Kluczem jest to, że całkowita ilość energii powodująca rozszerzenie balonu i podgrzanie gazu jest taka sama, jak ilość ciepła, którą wkładasz do balonu. Pierwsze prawo zostało użyte do opisania wielu rzeczy — w tym działania lodówek i silników samochodowych. To jeden z filarów fizyki”.

Pierwsza zasada termodynamiki, opracowana w latach pięćdziesiątych XIX wieku, obowiązuje tylko w układach, w których można właściwie zdefiniować temperaturę, stan znany jako równowaga. Na przykład, po połączeniu, filiżanka zimnej wody i filiżanka gorącej wody ostatecznie osiągną ciepłą temperaturę między nimi. Ta wysoka temperatura jest równowagą. Jednakże, gdy ciepła i zimna woda nie osiągnęły jeszcze tego punktu końcowego, woda nie jest w równowadze.

Podobnie w wielu dziedzinach współczesnej nauki systemy nie są w równowadze. Przez ponad 100 lat badacze próbowali rozszerzyć pierwsze prawo dla zwykłych materiałów, które nie są w równowadze, ale takie teorie działają tylko wtedy, gdy system jest prawie gotowy – kiedy ciepła i zimna woda są prawie wymieszane. Teorie nie działają na przykład w plazmach kosmicznych, które są dalekie od równowagi.

Praca Cassak i Barbhuiya wypełnia luki w tym ograniczeniu.

„Uogólniliśmy pierwszą zasadę termodynamiki dla układów, które nie są w równowadze” – powiedział Cassak. „Wykonaliśmy obliczenia ołówkiem i papierem, aby dowiedzieć się, ile energii wiąże się z materią niebędącą w równowadze, i działa to niezależnie od tego, czy system jest blisko, czy daleko od równowagi”.

Ich badania mają wiele potencjalnych zastosowań. Teoria pomoże naukowcom zrozumieć plazmę w kosmosie, co jest ważne dla przygotowania się na pogodę kosmiczną. Pogoda kosmiczna występuje, gdy ogromne erupcje w atmosferze słonecznej przegrzewają się[{” attribute=””>plasma into space. It can cause problems like power outages, interruptions to satellite communications, and the rerouting of airplanes.

“The result represents a really large step of our understanding,” Cassak said. “Until now, the state-of-the-art in our research area was to account for energy conversion only associated with expansion and heating, but our theory provides a way to calculate all the energy from not being in equilibrium.”

“Because the first law of thermodynamics is so widely used,” Barbhuiya said, “it is our hope that scientists in a wide array of fields could use our result.”

For example, it may be useful for studying low-temperature plasmas — which are important for etching in the semiconductor and circuit industry — as well as in other areas like chemistry and quantum computing. It might also help astronomers study how galaxies evolve in time.

Groundbreaking research related to Cassak and Barbhuiya’s is being carried out in PHASMA, the PHAse Space MApping experiment, in the WVU Center for KINetic Experimental, Theoretical, and Integrated Computational Plasma Physics.

“PHASMA is making space-relevant measurements of energy conversion in plasmas that are not in equilibrium. These measurements are totally unique worldwide,” Cassak said.

Likewise, the breakthrough he and Barbhuiya have made will change the landscape of plasma and space physics, a feat that doesn’t happen often.

“There aren’t many laws of physics — Newton’s laws, the laws of electricity and magnetism, the three laws of thermodynamics, and the laws of quantum mechanics,” said Duncan Lorimer, professor and interim chair of the Department of Physics and Astronomy. “To take one of these laws that have been around over 150 years and improve on it is a major achievement.”

“These new first principles result in non-equilibrium statistical mechanics as applied to plasmas is a great example of the academic research enabled by NSF’s mission ‘to promote the progress of science’,” said Vyacheslav Lukin, a program director for plasma physics in the NSF Division of Physics.

Reference: “Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas” by Paul A. Cassak, M. Hasan Barbhuiya, Haoming Liang and Matthew R. Argall, 22 February 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.085201

The study was funded by the National Science Foundation.

Joining WVU researchers on the project were Haoming Liang, University of Alabama in Huntsville, and Matthew Argall, University of New Hampshire.