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熱力學(xué)第一定律指出，能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而且能量的形式也可以轉(zhuǎn)換。

西弗吉尼亞大學(xué) KINETIC 等離子體物理中心 Paul Cassak 教授兼副主任和物理與天文學(xué)系研究生研究助理 Hasan Barbhuiya 正在研究太空中過熱等離子體的能量轉(zhuǎn)換。將徹底改變對空間和實(shí)驗(yàn)室中等離子體如何加熱的理解，并可能對物理學(xué)和其他科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

這一發(fā)現(xiàn)以「Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas」為題發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters journal）雜志上，

論文鏈接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.085201

「假設(shè)你加熱了一個氣球，」Cassak 說。「熱力學(xué)第一定律告訴你氣球膨脹了多少，以及氣球內(nèi)部的氣體變得多熱。關(guān)鍵是導(dǎo)致氣球膨脹和氣體變熱的總能量與你放入氣球的熱量相同。第一定律被用來描述很多事情——包括冰箱和汽車發(fā)動機(jī)的工作原理。它是物理學(xué)的支柱之一。」

Paul Cassak

熱力學(xué)第一定律誕生于 19 世紀(jì) 50 年代，僅適用于可以正確定義溫度的系統(tǒng)，即所謂的平衡狀態(tài)。例如，一杯冷水和一杯熱水混合在一起，最終會達(dá)到兩者之間的「溫暖」溫度，這個「溫暖」的溫度就是平衡。然而，當(dāng)熱水和冷水還沒有達(dá)到那個終點(diǎn)時，水就失去了平衡。同樣，在現(xiàn)代科學(xué)的許多領(lǐng)域，系統(tǒng)也不處于平衡狀態(tài)。

100 多年來，研究人員一直試圖將第一定律擴(kuò)展到不處于平衡狀態(tài)的普通材料，但這種理論只有在系統(tǒng)接近平衡時——即熱水和冷水幾乎混合時——才有效。例如，這些理論在遠(yuǎn)離平衡的空間等離子體中不起作用 Cassak 和 Barbhuiya 的工作填補(bǔ)了這一限制的空白。「我們將熱力學(xué)第一定律推廣到非平衡系統(tǒng)。」Cassak 說。「我們進(jìn)行了計(jì)算，以確定有多少能量與不平衡的物質(zhì)相關(guān)，無論系統(tǒng)接近或遠(yuǎn)離平衡，它都有效。」

他們的研究有許多潛在的應(yīng)用。該理論將幫助科學(xué)家了解太空中的等離子體，這對于準(zhǔn)備應(yīng)對太空天氣非常重要。當(dāng)太陽大氣中的巨大噴發(fā)將過熱等離子體噴射到太空時，就會發(fā)生太空天氣。它可能導(dǎo)致停電、衛(wèi)星通信中斷和飛機(jī)改道等問題。「這一結(jié)果代表著我們在理解上邁出了一大步。」Cassak 說。「到目前為止，我們研究領(lǐng)域的最新技術(shù)是僅考慮與膨脹和加熱相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換，但我們的理論提供了一種方法來計(jì)算非平衡狀態(tài)下的所有能量。」

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換通道對相空間密度 fσ 的影響顯示能量轉(zhuǎn)換通道的示意圖。（來源：論文）

「因?yàn)闊崃W(xué)第一定律的應(yīng)用如此廣泛，」 Barbhuiya 說，「我們希望各個領(lǐng)域的科學(xué)家都能使用我們的結(jié)果。例如，它可能有助于研究低溫等離子體，這對半導(dǎo)體和電路行業(yè)的蝕刻很重要，以及化學(xué)和量子計(jì)算等其他領(lǐng)域。它還可能有助于天文學(xué)家研究星系如何隨時間演化。

與 Cassak 和 Barbhuiya 相關(guān)的開創(chuàng)性研究正在西弗吉尼亞大學(xué)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論和綜合計(jì)算等離子體物理中心的 PHAse 空間映射實(shí)驗(yàn) PHASMA 中進(jìn)行。「PHASMA 正在對不平衡的等離子體中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行與空間相關(guān)的測量。這些測量結(jié)果在全世界都是獨(dú)一無二的，」Cassak 說。同樣，他和 Barbhuiya 取得的突破將改變等離子體和空間物理學(xué)的面貌，這種壯舉并不經(jīng)常發(fā)生。

「物理學(xué)定律并不多——牛頓定律、電磁定律、熱力學(xué)三大定律和量子力學(xué)定律，」物理與天文學(xué)系教授兼臨時主席 Duncan Lorimer 說。「對這些已經(jīng)存在了 150 多年的定律之一進(jìn)行改進(jìn)是一項(xiàng)重大成就。」

「這些新的第一性原理導(dǎo)致了應(yīng)用于等離子體的非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)，這是 NSF [促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步] 使命所促成的學(xué)術(shù)研究的一個很好的例子，」美國國家科學(xué)基金會等離子體物理學(xué)項(xiàng)目主任 Vyacheslav Lukin 說。

參考內(nèi)容：

https://scitechdaily.com/physics-breakthrough-researchers-overcome-long-standing-limitation-of-first-law-of-thermodynamics/

文章來源：ScienceAI

IEEE Spectrum

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研究人員克服了長期以來熱力學(xué)第一定律的限制