Physiker der West Virginia University haben eine seit langem bestehende Einschränkung der ersten Regel der Thermodynamik überwunden. Die Energieumwandlung in überhitzten Plasmen im Weltraum wird von Paul Cassak, Professor und Vizedirektor des KINETIC Center for Plasma Physics an der West Virginia University, und Hasan Barbhuiya, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Physik und Astronomie, untersucht. Ihre von der National Science Foundation unterstützte Forschung wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Die Forschung, von der erwartet wird, dass sie unser Wissen darüber, wie Plasmen in Labors und im Weltraum erhitzt werden, revolutionieren wird, könnte weitreichende Auswirkungen auf die Physik und andere Studiengebiete haben.
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik kann Energie weder erzeugt noch vernichtet, aber in verschiedene Formen umgewandelt werden.
„Stellen Sie sich vor, Sie schießen einen Ballon ab“, sagte Cassak. Die erste Hauptregel der Thermodynamik gibt Auskunft über die Expansionsrate des Ballons und die Erwärmungsrate des Gases im Ballon. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Menge an Wärme, die Sie in den Ballon schicken, gleich der Gesamtmenge an Energie ist, die bewirkt, dass sich der Ballon ausdehnt und das Gas sich erwärmt. Viele Dinge, wie der Betrieb von Kühlschränken und Automotoren, werden durch die erste Regel definiert. Dies ist ein grundlegendes Prinzip der Wissenschaft.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, der in den 1850er Jahren aufgestellt wurde, gilt nur für Systeme im Gleichgewicht oder bei denen die Temperatur genau definiert werden kann. Wenn zum Beispiel eine Tasse kaltes Wasser und eine Tasse heißes Wasser zusammenkommen, wird es schließlich eine warme Temperatur erreichen. Bei dieser warmen Temperatur herrscht Gleichgewicht. Wenn jedoch Warm- und Kaltwasser diesen Endpunkt noch nicht erreicht haben, ist das Wasser aus dem Gleichgewicht geraten.
Ebenso sind Systeme in vielen Zweigen der modernen Wissenschaft nicht im Gleichgewicht.
Die erste Regel wurde für übliche Materialien erweitert, die seit über einem Jahrhundert nicht im Gleichgewicht sind, aber solche Theorien gelten nur, wenn das System fast im Gleichgewicht ist, zum Beispiel wenn heißes und kaltes Wasser fast gemischt sind. Beispielsweise gelten diese Ideen nicht für Plasmen im Weltraum, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind.
Die Arbeit von Cassak und Barbhuiya füllt die Lücken bezüglich dieser Einschränkung.
Nach Cassak haben wir die erste Regel der Thermodynamik auf Systeme ausgedehnt, die nicht im Gleichgewicht sind. Mit Stift und Papier haben wir die Energiemenge berechnet, die mit der unausgeglichenen Materie verbunden ist, und die Formel gilt unabhängig davon, ob sich das System nahe oder weit vom Gleichgewicht befindet.
Die Forschung hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Die Hypothese wird Forschern helfen, Weltraumplasmen zu verstehen, was für die Vorbereitung auf das Weltraumwetter von entscheidender Bedeutung ist. Massive Explosionen in der Sonnenatmosphäre, die überhitztes Plasma in den Weltraum freisetzen, verursachen Weltraumwetter. Dies kann zu Problemen wie Stromausfällen, Unterbrechungen der Satellitenkommunikation und Umleitung von Flugzeugen führen.
Laut Cassak stellt dieses Ergebnis „einen wirklich wichtigen Schritt in unserem Verständnis dar“. „Bisher hat der Stand der Technik in unserem Forschungsgebiet nur die mit Expansion und Erwärmung verbundene Energieumwandlung berücksichtigt, aber unsere Theorie bietet eine Möglichkeit, die gesamte Energie zu berechnen, die aus dem Ungleichgewicht resultiert, “, schreibt der Autor.
Laut Barbhuiya hoffen wir, dass Wissenschaftler, die in verschiedenen Disziplinen arbeiten, unsere Erkenntnisse nutzen können, da der erste Hauptsatz der Thermodynamik so oft verwendet wird.
Es könnte beispielsweise bei der Untersuchung von Niedertemperaturplasmen hilfreich sein, die für das Ätzen in der Halbleiter- und Schaltungsarbeit sowie in anderen Disziplinen wie Chemie und Quantencomputer von entscheidender Bedeutung sind. Astronomen können dies nutzen, um besser zu verstehen, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit verändern.
Das Experiment PHAse Space Mapping am WVU Center for Kinetics Experimental, Theoretical and Integrated Computational Plasma Physics ist bahnbrechend auf dem Gebiet von Cassak und Barbhuiya.
„PHASMA führt Energieumwandlungsstudien in weltraumbezogenen Nichtgleichgewichtsplasmen durch. Laut Cassak sind diese Messungen weltweit völlig original.
Zusammen mit Barbhuiya wird ihre Entdeckung auch das Gebiet der Plasma- und Weltraumphysik verändern, eine Leistung, die selten ist.
Laut Duncan Lorimer, Professor und stellvertretender Vorsitzender der Fakultät für Physik und Astronomie, sind die Newtonschen Gesetze, die Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus, die drei Gesetze der Thermodynamik und die Gesetze der Quantenmechanik die einzigen bekannten Gesetze der Physik. Laut Lorimer ist die Verbesserung einer Regel, die seit mehr als 150 Jahren in Kraft ist, eine bedeutende Leistung.
Laut Vyacheslav Lukin, Programmdirektor für Plasmaphysik am NSF Department of Physics, „sind diese neuen Ergebnisse der ersten Prinzipien der statistischen Nichtgleichgewichtsmechanik, die auf Plasmen angewendet werden, ein wunderbares Beispiel für die akademische Forschung, die durch das Ziel der NSF ermöglicht wird, „den Fortschritt zu fördern der Wissenschaft."
Quelle: „Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas“ von Paul A. Cassak, M. Hasan Barbhuiya, Haoming Liang und Matthew R. Argall, 22. Februar 2023, Physical Review Letters.
📩 03/04/2023 20:13