物理学家改造热力学第一定律

西弗吉尼亚大学的物理学家在热力学第一定律的一个古老限制上取得了突破。

动力学等离子体物理中心教授兼副主任Paul Cassak和物理与天文学系的研究生研究助理Hasan Barbhuiya正在研究能量如何在太空中转化为过热等离子体。

他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，将改变科学家对太空和实验室中等离子体如何升温的理解，并可能在物理学和其他科学领域有各种各样的进一步应用。

热力学第一定律指出，能量既不能被创造也不能被破坏，但它可以转化为不同的形式。

“假设你加热一个气球，”卡萨克说。“热力学第一定律告诉你气球膨胀了多少，气球内的气体变热了多少。关键是导致气球膨胀和气体变热的总能量与您放入气球的热量相同。第一定律被用来描述许多事情，包括冰箱和汽车发动机是如何工作的。它是物理学的支柱之一。

热力学第一定律发展于1850年代，仅适用于可以正确定义温度的系统，这种状态称为平衡。例如，当一杯冷水和一杯热水结合在一起时，它们之间最终会达到温暖的温度。这种温暖的温度就是平衡。然而，当热水和冷水尚未达到该终点时，水就失去了平衡。

同样，在现代科学的许多领域，系统都处于不平衡状态。100多年来，研究人员一直试图扩展非平衡的常见材料的第一定律，但这些理论只有在系统接近时才有效 - 当热水和冷水几乎混合时。例如，这些理论在远离平衡的空间等离子体中不起作用。

卡萨克和巴布伊亚的工作填补了这一限制的空白。

“我们对非平衡系统的热力学第一定律进行了推广，”卡萨克说。“我们做了一个铅笔和纸的计算，以找出有多少能量与物质不处于平衡状态有关，无论系统接近还是远离平衡，它都有效。

他们的研究有许多潜在的应用。该理论将帮助科学家了解太空中的等离子体，这对于为太空天气做准备非常重要。当太阳大气层中的巨大喷发将过热的等离子体爆炸到太空时，就会发生空间天气。它可能会导致停电、卫星通信中断和飞机改道等问题。

“结果代表了我们理解的一大步，”卡萨克说。“到目前为止，我们研究领域的最新技术是仅考虑与膨胀和加热相关的能量转换，但我们的理论提供了一种计算所有能量的方法。

“因为热力学第一定律被广泛使用，”Barbhuiya说，“我们希望各个领域的科学家可以使用我们的结果。

例如，它可能可用于研究低温等离子体 - 这对于半导体和电路工业中的蚀刻很重要 - 以及化学和量子计算等其他领域。它还可能有助于天文学家研究星系如何随时间演变。

与Cassak和Barbhuiya相关的开创性研究正在WVUKINetic实验，理论和综合计算等离子体物理中心的PHASMA中进行，PHAse空间测量实验。

“PHASMA正在对非平衡等离子体中的能量转换进行与空间相关的测量。这些测量在世界范围内是完全独一无二的，“卡萨克说。

同样，他和Barbhuiya取得的突破将改变等离子体和空间物理学的格局，这一壮举并不经常发生。

“没有多少物理定律 - 牛顿定律，电和磁定律，热力学三定律和量子力学定律，”物理和天文学系教授兼临时Duncan Lorimer说。“采用其中一项已有150多年历史的法律并对其进行改进是一项重大成就。

“这种新的第一原理导致应用于等离子体的非平衡统计力学是NSF使命'促进科学进步'的学术研究的一个很好的例子，”NSF物理部等离子体物理学项目主任Vyacheslav Lukin说。

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