Американские физики сняли одно из ограничений, налагаемых первым законом термодинамики, пишет «Новая Наука».
Согласно первому закону термодинамики, при любом преобразовании в системе, находящейся в равновесии, энергия системы не изменится. Иначе говоря, энергия системы преобразуется из одной формы в другую. Закон применим для систем, находящихся в тепловом равновесии.
«Предположим, вы нагреваете воздушный шар. Первый закон термодинамики говорит вам, насколько расширится шар и насколько нагреется газ внутри шара. Главное, чтобы общее количество энергии, которое заставляет шар расширяться, а газ нагреваться, было равно количеству тепла, подведенного к шару», — объясняет Пол Кассак, профессор и заместитель директора Центра физики кинетической плазмы.
Изучая сильно разогретую космическую плазму, американским ученым удалось распространить этот закон на неравновесные системы. Космическая плазма состоит из заряженных частиц и является хорошим примером такой системы.
«Слабо сталкивающаяся и не сталкивающаяся плазма обычно далека от локального термодинамического равновесия, и понимание преобразования энергии в этих системах является главной исследовательской проблемой», — объясняют исследователи в Physical Review Letters.
Американские физики рассматривали, что происходит с энергией в космической плазме при перегреве на экспериментальной установке PHASMA. В условиях, схожих с условиями в космической плазме, проводились трехмерные измерения функций распределения скоростей ионов и электронов по кинетическим шкалам. На основе функции распределения скоростей была рассчитана плотность, средняя скорость потока и температура каждого вида.
«Мы провели расчеты с помощью карандаша и бумаги, чтобы найти количество энергии, связанное с веществом, которое не находится в равновесии, и это работает независимо от того, находится ли система вблизи или вдали от равновесия», — рассказали исследователи.
До сих пор учитывались только изменения внутренней тепловой энергии и плотности. Новая теория позволяет рассчитать полную энергию системы.
«Мы рассчитываем преобразование энергии, связанное со всеми моментами высшего порядка плотности фазового пространства для систем, которые не находятся в локальном термодинамическом равновесии», — объясняют они.
Новую теорию можно будет применить для изучения низкотемпературной плазмы, термоядерного синтеза. Теория позволит лучше понять эволюцию галактик и процессы, происходящие в перегретой плазме солнечных вспышек.
