Los físicos han renovado la primera ley de la termodinámica

Paul Kassak, profesor y codirector del Centro de Física Cinética del Plasma, y ​​el asistente de investigación graduado Hasan Barbuya, ambos del Departamento de Física y Astronomía, estudian cómo se convierte la energía en plasmas sobrecalentados en el espacio. Sus hallazgos, financiados por una subvención de la National Science Foundation y publicados en Cartas de exploración física revista, renovará la comprensión de los científicos sobre cómo se calienta el plasma en el espacio y en el laboratorio, y podría tener una variedad de otras aplicaciones en física y otras ciencias.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, pero se puede convertir en varias formas.

“Supongamos que calientas un globo”, dijo Kassack. «La primera ley de la termodinámica te dice cuánto se expandirá un globo y cuánto aumentará la temperatura del gas dentro del globo. La clave es que la cantidad total de energía que hace que el globo se expanda y caliente el gas es la misma cantidad de calor que pones en el globo. La primera ley se ha utilizado para describir muchas cosas, incluido cómo funcionan los refrigeradores y los motores de los automóviles. Es uno de los pilares de la física. »

Desarrollada en la década de 1850, la primera ley de la termodinámica solo es válida para sistemas en los que la temperatura se puede determinar correctamente, condición conocida como equilibrio. Por ejemplo, cuando se combinan, una taza de agua fría y una taza de agua caliente eventualmente alcanzarán una temperatura caliente en el medio. Esta temperatura cálida es un estado de equilibrio. Sin embargo, cuando el agua caliente y el agua fría aún no han llegado a este punto final, el agua está desequilibrada.

Asimismo, en muchas áreas de la ciencia moderna, los sistemas no están en equilibrio. Durante más de 100 años, los investigadores han tratado de extender la primera ley a los materiales comunes que no están en equilibrio, pero tales teorías solo funcionan cuando el sistema está casi allí, cuando el agua fría y caliente se mezclan aproximadamente. Las teorías no funcionan, por ejemplo, en los plasmas espaciales, que están lejos del equilibrio.

El trabajo de Cassaque y Perboia llena los vacíos de esta limitación.

«Hemos generalizado la primera ley de la termodinámica a sistemas que no están en equilibrio», dijo Kassack. Hemos hecho un cálculo con lápiz y papel para encontrar la cantidad de energía asociada con la materia que no está en equilibrio, y funciona ya sea que el sistema esté cerca o lejos del equilibrio. »

Su investigación tiene muchas aplicaciones potenciales. La teoría ayudará a los científicos a comprender el plasma en el espacio, que es importante para prepararse para el clima espacial. El clima espacial ocurre cuando enormes erupciones en la atmósfera solar arrojan plasma sobrecalentado al espacio. Esto puede generar problemas como cortes de energía, tiempo de inactividad de las comunicaciones satelitales y desvío de aeronaves.

«El hallazgo representa un gran paso en nuestra comprensión», dijo Kassak. “Hasta ahora, el desarrollo más reciente en nuestro campo de investigación ha sido calcular la conversión de energía asociada solo con la expansión y el calentamiento, pero nuestra teoría proporciona una forma de contabilizar toda la energía para que no esté en equilibrio”.

«Debido a que la primera ley de la termodinámica se usa tan ampliamente, esperamos que los científicos de una amplia gama de campos puedan usar nuestros hallazgos», dijo Barboia.

Por ejemplo, podría ser útil para el estudio de plasmas de baja temperatura, que son importantes para la perforación en la industria y los circuitos de semiconductores, así como en otros campos como la química y la computación cuántica. También puede ayudar a los astrónomos a estudiar la evolución de las galaxias a lo largo del tiempo.

La investigación pionera relacionada con Cassak y Barbhuiya se está llevando a cabo en PHASMA, el experimento de mapeo espacial PHAse, en el Centro de Física de Plasma Computacional Experimental, Teórica e Integrada de WVU.

PHASMA realiza mediciones espaciales de conversión de energía en plasmas que no están en equilibrio. Kassak dijo que estos procedimientos son completamente únicos en el mundo.

Del mismo modo, el avance que él y Barbhuiya lograrán cambiará el panorama del plasma y la física espacial, una hazaña que no sucede a menudo.

“No hay muchas leyes de la física: las leyes de Newton, las leyes de la electricidad y el magnetismo, las tres leyes de la termodinámica y las leyes de la mecánica cuántica”, dijo Duncan Lorimer, profesor y director interino del Departamento de Física y Astronomía. . “Tomar una de estas leyes que existen desde hace más de 150 años y mejorarla es todo un logro.

dijo Vyacheslav Lukin, director del Programa de Física del Plasma en la División de Física de la NSF.

Haoming Liang de la Universidad de Alabama en Huntsville y Matthew Argall de la Universidad de New Hampshire se unieron a los investigadores de WVU en el proyecto.