Физики уточнили границы применимости первого закона термодинамики

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.

0 комментариев