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古老限制上取得了突破。动能等离子体物理中心教授兼副主任PaulCassak和物理系和天文学系的研究生研究助理HasanBarbhuiya正在研究能量如何在太空中的过热等离子体中转化。

他们的发现发表在PhysicalReviewLetters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广泛的进一步应用。

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。

“假设你加热了一个气球，”卡萨克说。“热力学第一定律告诉你气球膨胀了多少，气球内部的气体变热了多少。关键是导致气球膨胀和气体变热的总能量等于“你放入气球的热量。第一定律被用来描述很多东西——包括冰箱和汽车引擎是如何工作的。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，即所谓的平衡状态。例如，一杯冷水和一杯热水结合在一起，最终会达到两者之间的温暖温度。这个温暖的温度就是平衡。然而，当热水和冷水还没有达到那个终点时，水就失去了平衡。

同样，在现代科学的许多领域，系统也不处于平衡状态。100多年来，研究人员一直试图将第一定律扩展到不处于平衡状态的普通材料，但此类理论仅在系统接近平衡时(即热水和冷水几乎混合时)才有效。例如，这些理论在远离平衡的空间等离子体中不起作用。

Cassak和Barbhuiya的工作填补了这一限制的空白。

“我们为非平衡系统推广了热力学第一定律，”卡萨克说。“我们用铅笔和纸进行了计算，以确定有多少能量与不平衡的物质相关，无论系统接近或远离平衡，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，这对于准备太空天气非常重要。当太阳大气中的巨大喷发将过热等离子体喷射到太空时，就会发生太空天气。它可能导致停电、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，我们研究领域最先进的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方法来计算所有不处于平衡状态的能量。”

“因为热力学第一定律的应用如此广泛，”Barbhuiya说，“我们希望各个领域的科学家都能使用我们的结果。”

例如，它可能有助于研究低温等离子体——这对半导体和电路行业的蚀刻很重要——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化。

与Cassak和Barbhuiya相关的开创性研究正在西弗吉尼亚大学动力学实验、理论和综合计算等离子体物理中心的PHAse空间映射实验PHASMA中进行。

“PHASMA正在对不平衡的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都是独一无二的，”Cassak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面貌，这种壮举并不经常发生。

“物理定律不多——牛顿定律、电磁定律、热力学三大定律和量子力学定律，”物理与天文学系教授兼临时主席邓肯·洛里默(DuncanLorimer)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。”

“这一新的第一性原理导致了应用于等离子体的非平衡统计力学，这是NSF‘促进科学进步’使命所促成的学术研究的一个很好的例子，”美国国家科学基金会等离子体物理学项目主任维亚切斯拉夫·卢金(VyacheslavLukin)说。美国国家科学基金会物理学部。