Физики обобщили первый закон термодинамики для систем, которые не находятся в равновесии

Физики совершили прорыв в исследовании ограничения первого закона термодинамики. Они изучили, как энергия преобразуется в перегретой плазме в космосе. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, изменят представление ученых о том, как нагревается плазма в космосе и в лабораториях, и могут найти широкое применение в физике и других науках.

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

«Предположим, вы нагрели воздушный шар, — говорит профессор Пол Кассак, автор исследования.

«Первый закон термодинамики говорит вам, насколько расширяется воздушный шар и насколько горячее становится газ внутри воздушного шара. Суть в том, что общее количество энергии, вызывающее расширение воздушного шара и нагревание газа, равно количеству тепла, которое вы вкладываете в воздушный шар. Первый закон использовался для описания многих вещей, в том числе того, как работают холодильники и автомобильные двигатели. Это один из столпов физики».

Разработанный в 1850-х годах, первый закон термодинамики действителен только для систем, в которых температура может быть правильно определена — состояние, известное как равновесие.

Например, при смешивании холодной и горячей воды температура выравнивается, и в конечном итоге вода достигнет равновесной температуры и станет теплой. Такая температура является равновесием. Однако, когда горячая и холодная вода еще не достигли этой конечной точки, вода не находится в равновесии.

Точно так же во многих областях современной науки системы не находятся в равновесии. На протяжении более 100 лет исследователи пытались расширить первый закон для обычных систем, не находящихся в равновесии, но такие теории работают только тогда, когда система почти готова — когда горячая и холодная вода почти полностью смешаны. Теории не работают, например, в космической плазме, далекой от равновесия.

Теперь ученые заполняет пробелы в этом ограничении.

«Мы обобщили первый закон термодинамики для систем, которые не находятся в равновесии», — сказал Пол Кассак. «Мы провели расчет, чтобы определить, сколько энергии связано с тем, что материя не находится в равновесии, и это работает независимо от того, близка ли система к равновесию или далека от него».

«Результат представляет собой действительно большой шаг вперед. До сих пор самым современным в нашей области исследований был учет преобразования энергии, связанной только с расширением и нагревом, но наша теория предоставляет способ рассчитать всю энергию, полученную в результате нарушения равновесия».

«Поскольку первый закон термодинамики так широко используется, 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 и схемотехнической промышленности, а также в других областях, таких как химия и квантовые вычисления. Это также может помочь астрономам изучить эволюцию галактик во времени.

Новаторские исследования проводятся в рамках PHASMA, эксперимента PHAse Space MApping, в центре физики плазмы KINETIC.