西弗吉尼亚大学的物理学家改造了热力学第一定律

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 Paul Cassak和物理系和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的过热等离子体中转化。他们的发现由国家科学基金会资助并发表在《 物理评论快报》杂志上，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领域有广泛的进一步应用科学。

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，以及气球内部的气体变得多热。关键是导致气球膨胀和气体变热的总能量与你放入气球的热量相同。第一定律被用来描述很多事情——包括冰箱和汽车发动机的工作原理。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，但这种理论只有在系统接近平衡时——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。这些测量结果在全世界都是独一无二的，”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面貌，这种壮举并不经常发生。

“物理定律并不多——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 (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，”国家科学基金会等离子体物理学项目主任 Vyacheslav Lukin 说。国家科学基金会物理学部。

与 WVU 研究人员一起参与该项目的还有亨茨维尔阿拉巴马大学的 Haoming Liang 和新罕布什尔大学的 Matthew Argall。