Fizikte Buluş: Araştırmacılar Termodinamiğin Birinci Yasasının Uzun Süreli Sınırlandırmasını Aştı

WVU profesörü ve WVU KINETIC Plazma Fiziği Merkezi’nin müdür yardımcısı Paul Cassak liderliğindeki araştırma bulguları, bilim adamlarının termodinamiğin birinci yasasını nasıl anlayabilecekleri ve uzaydaki plazmaların ve laboratuvarlar ısıtılır. Bu fotoğrafta, bir Merkez deneyinde argon plazması mavimsi bir renkte parlıyor. Kredi: WVU Fotoğraf/Brian Persinger

West Virginia Üniversitesi’ndeki fizikçiler, termodinamiğin birinci yasasının uzun süredir devam eden sınırlamasını aştılar.

Paul Cassak, bir profesör ve müdür yardımcısı West Virginia Üniversitesi’ndeki KİNETİK Plazma Fiziği Merkezi ve Fizik ve Astronomi Bölümü’nde lisansüstü araştırma görevlisi olan Hasan Barbhuiya, uzayda aşırı ısıtılmış plazmalarda enerjinin dönüşümünü araştırıyorlar. National Science Foundation tarafından finanse edilen ve Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bulguları, uzay ve laboratuvarlardaki plazmaların nasıl ısıtıldığına ilişkin anlayışta devrim yaratacak ve fizik ile diğer bilimlerde geniş kapsamlı etkilere sahip olabilecek.

{ 7}

Paul Cassak, profesör, WVU Fizik ve Astronomi Bölümü ve WVU KINETIC Plazma Fiziği Merkezi müdür yardımcısı. Kaynak: WVU Fotoğrafı

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, ancak farklı biçimlere dönüştürülebileceğini belirtir.

“Bir balonu ısıttığınızı varsayalım. dedi Cassak. “Termodinamiğin birinci yasası size balonun ne kadar genişlediğini ve balonun içindeki gazın ne kadar ısındığını söyler. Önemli olan, balonun genişlemesine ve gazın ısınmasına neden olan toplam enerji miktarının, balona verdiğiniz ısı miktarıyla aynı olmasıdır. İlk yasa, buzdolaplarının ve araba motorlarının nasıl çalıştığı da dahil olmak üzere birçok şeyi açıklamak için kullanılmıştır. Bu, fiziğin temel direklerinden biridir.”

1850’lerde geliştirilen termodinamiğin birinci yasası, yalnızca sıcaklığın düzgün bir şekilde tanımlanabildiği, denge olarak bilinen bir durumun olduğu sistemler için geçerlidir. Örnek olarak, bir bardak soğuk su ve bir bardak sıcak su birleştirildiğinde, sonunda aralarında ılık bir sıcaklığa ulaşacaktır. Bu sıcak sıcaklık dengedir. Ancak, sıcak ve soğuk su henüz bu son noktaya ulaşmadığında, su dengesi bozulur.

Benzer şekilde, modern bilimin birçok alanında sistemler dengede değildir. 100 yılı aşkın bir süredir, araştırmacılar birinci yasayı dengede olmayan ortak malzemeler için genişletmeye çalıştılar, ancak bu tür teoriler yalnızca sistem neredeyse orada olduğunda, sıcak ve soğuk su neredeyse karıştığında işe yarar. Teoriler, örneğin dengeden uzak olan uzay plazmalarında işe yaramaz.

Cassak ve Barbhuiya’nın çalışması bu sınırlamadaki boşlukları dolduruyor.

“İlkini genelleştirdik. Dengede olmayan sistemler için termodinamiğin kanunu,” dedi Cassak. “Maddenin dengede olmamasıyla ne kadar enerjinin ilişkili olduğunu bulmak için bir kalem ve kağıt hesabı yaptık ve sistem dengeye yakın mı uzak mı işe yarıyor.”

Araştırmalarının çok sayıda potansiyel uygulaması var. Teori, bilim adamlarının uzay havasına hazırlanmak için önemli olan uzaydaki plazmaları anlamalarına yardımcı olacak. Güneş atmosferindeki büyük patlamalar aşırı ısınmış plazmayı uzaya fırlattığında uzay havası oluşur. Elektrik kesintileri, uydu iletişiminde kesintiler ve uçakların yeniden yönlendirilmesi gibi sorunlara neden olabilir.

“Sonuç, anlayışımızda gerçekten büyük bir adımı temsil ediyor,” dedi Cassak. “Şimdiye kadar, araştırma alanımızdaki en son teknoloji, yalnızca genleşme ve ısınmayla ilişkili enerji dönüşümünü hesaba katıyordu, ancak teorimiz, dengede olmayan tüm enerjiyi hesaplamanın bir yolunu sunuyor.”

“Termodinamiğin birinci yasası çok yaygın olarak kullanıldığı için,” dedi Barbhuiya, “çok çeşitli alanlardaki bilim adamlarının sonucumuzu kullanmasını umuyoruz.”

Örneğin, yarı iletken ve devre endüstrisinde aşındırma için önemli olan düşük sıcaklıklı plazmaların yanı sıra kimya ve kuantum hesaplama gibi diğer alanlarda çalışmak için kullanışlıdır. Ayrıca gökbilimcilerin galaksilerin zaman içinde nasıl evrimleştiğini incelemelerine yardımcı olabilir.

WVU KINetik Deneysel, Teorik ve Entegre Merkezi’nde, Cassak ve Barbhuiya’nınkiyle ilgili çığır açan araştırmalar PHASMA, PHAse Uzay Haritalama deneyi yürütülüyor. Hesaplamalı Plazma Fiziği.

“PHASMA, dengede olmayan plazmalarda enerji dönüşümünün uzayla ilgili ölçümlerini yapıyor. Bu ölçümler dünya çapında tamamen benzersiz,” dedi Cassak.

Aynı şekilde, kendisinin ve Barbhuiya’nın yaptığı buluş, plazma ve uzay fiziğinin manzarasını değiştirecek, bu pek sık rastlanmayan bir başarı.

{6 Profesör ve Fizik ve Astronomi Bölümü geçici başkanı Duncan Lorimer, “Pek çok fizik yasası yoktur – Newton yasaları, elektrik ve manyetizma yasaları, termodinamiğin üç yasası ve kuantum mekaniği yasaları” dedi. . “Yaklaşık 150 yılı aşkın süredir yürürlükte olan bu yasalardan birini alıp onu geliştirmek büyük bir başarıdır.”

“Bu yeni ilk ilkeler, plazmalara uygulandığı şekliyle denge dışı istatistiksel mekanikle sonuçlanır, harika bir örnektir. NSF Fizik Bölümü’nde plazma fiziği program direktörü Vyacheslav Lukin, NSF’nin ‘bilimin ilerlemesini teşvik etme’ misyonu tarafından sağlanan akademik araştırmanın yüzde 100’ü” dedi.

Referans: “Enerji Dönüşümünü Yüksek- Order Phase Space Density Moments in Plasmas”, yazan Paul A. Cassak, M. Hasan Barbhuiya, Haoming Liang ve Matthew R. Argall, 22 Şubat 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.085201{12 }