I fisici della West Virginia University hanno fatto un passo avanti su una secolare limitazione della prima legge della termodinamica.
Paul Cassak, professore e direttore associato del Center for KINETIC Plasma Physics, e Hasan Barbhuiya, assistente ricercatore laureato, entrambi del Dipartimento di Fisica e Astronomia, stanno studiando come l’energia viene convertita in plasmi surriscaldati nello spazio.
Le loro scoperte, pubblicate su Physical Review Letters, rinnoveranno la comprensione degli scienziati su come i plasmi, nello spazio e nei laboratori, si riscaldano e potrebbero avere un’ampia varietà di ulteriori applicazioni in fisica e altre scienze.
La prima legge della termodinamica afferma che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma può essere convertita in forme diverse.
“Supponi di riscaldare un pallone“, ha detto Cassak. “La prima legge della termodinamica ti dice quanto si espande il pallone e quanto più caldo diventa il gas all’interno del pallone. La chiave è che la quantità totale di energia che causa l’espansione del pallone e il riscaldamento del gas è uguale alla quantità di calore che immetti nel pallone. La prima legge viene usata per descrivere molte cose, incluso il funzionamento dei frigoriferi e dei motori delle automobili. È uno dei pilastri della fisica“.
Sviluppata nel 1850, la prima legge della termodinamica è valida solo per i sistemi in cui è possibile definire correttamente una temperatura, uno stato noto come equilibrio. Ad esempio, se combinate tra di loro, una tazza di acqua fredda e una tazza di acqua calda alla fine raggiungeranno una temperatura calda. Questa temperatura calda è l’equilibrio. Tuttavia, quando l’acqua calda e fredda non hanno ancora raggiunto quel punto finale, l’acqua è fuori equilibrio.
Allo stesso modo, in molte aree della scienza moderna, i sistemi non sono in equilibrio. Per oltre 100 anni, i ricercatori hanno tentato di espandere la prima legge per i materiali comuni non in equilibrio, ma tali teorie funzionano solo quando il sistema è quasi in equilibrio, quando l’acqua calda e fredda sono quasi mescolate. Le teorie non funzionano, ad esempio, nei plasmi spaziali, che sono lontani dall’equilibrio.
Il lavoro di Cassak e Barbhuiya colma gli spazi vuoti su questa limitazione.
“Abbiamo generalizzato la prima legge della termodinamica per i sistemi che non sono in equilibrio“, ha detto Cassak. “Abbiamo fatto un calcolo con carta e matita per scoprire quanta energia è associata alla materia che non è in equilibrio, e funziona se il sistema è vicino o lontano dall’equilibrio“.
La loro ricerca ha numerose potenziali applicazioni. La teoria aiuterà gli scienziati a comprendere i plasmi nello spazio, cosa importante per prepararsi alla meteorologia spaziale. La meteorologia spaziale si verifica quando enormi eruzioni nell’atmosfera solare fanno esplodere il plasma surriscaldato nello spazio. Può causare problemi come interruzioni di corrente, interruzioni delle comunicazioni satellitari e dirottamento degli aerei.
“Il risultato rappresenta un passo davvero grande della nostra comprensione“, ha detto Cassak. “Fino ad ora, lo stato dell’arte nella nostra area di ricerca era quello di tenere conto della conversione di energia solo associata all’espansione e al riscaldamento, ma la nostra teoria fornisce un modo per calcolare tutta l’energia dal non essere in equilibrio“.
“Poiché la prima legge della termodinamica è così ampiamente utilizzata“, ha detto Barbhuiya, “la nostra speranza è che gli scienziati in una vasta gamma di campi possano utilizzare il nostro risultato“.
Ad esempio, può essere utile per studiare i plasmi a bassa temperatura, importanti per l’incisione nell’industria dei semiconduttori e dei circuiti, nonché in altri settori come la chimica e l’informatica quantistica. Potrebbe anche aiutare gli astronomi a studiare come le galassie si evolvono nel tempo.
La ricerca rivoluzionaria relativa a Cassak e Barbhuiya è in corso in PHASMA, l’esperimento PHAse Space MApping, nel Centro WVU per la fisica del plasma computazionale sperimentale, teorica e integrata KINetic.
“PHASMA sta effettuando misurazioni rilevanti per lo spazio della conversione di energia nei plasmi che non sono in equilibrio. Queste misurazioni sono assolutamente uniche al mondo“, ha affermato Cassak.
Allo stesso modo, la svolta che lui e Barbhuiya hanno realizzato cambierà il panorama della fisica del plasma e dello spazio, un’impresa che non accade spesso.
“Non ci sono molte leggi della fisica: le leggi di Newton, le leggi dell’elettricità e del magnetismo, le tre leggi della termodinamica e le leggi della meccanica quantistica“, ha detto Duncan Lorimer, professore e presidente ad interim del Dipartimento di Fisica e Astronomia. “Prendere una di queste leggi che esiste da oltre 150 anni e migliorarla è un risultato importante“.
“Questi nuovi principi primi risultano nella meccanica statistica di non equilibrio applicata ai plasmi è un ottimo esempio della ricerca accademica resa possibile dalla missione di NSF ‘promuovere il progresso della scienza’“, ha affermato Vyacheslav Lukin, direttore del programma per la fisica del plasma nel Divisione di fisica della NSF.
