編輯|蝴蝶蘭
熱力學第一定理強調，能量既不能陡然形成，也不能陡然消失，只能從一個物體轉移到另一個物體，但是能量的方式也可以轉換。
西佛羅里達學院等離子體化學中心Paul院長兼副校長和數學與天文學系研究生研究助理Hasan正在研究太空中過熱等離子體的能量轉換。將徹底改變對空間和實驗室中等離子體怎么加熱的理解，并可能對化學學和其他科學形成深遠影響。
這一發覺以「in-OrderPhaseSpacein」為題發表在《物理評論快報》（）刊物上，
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「假設你加熱了一個汽球，」說。「熱力學第一定理告訴你汽球膨脹了多少，以及汽球內部的二氧化碳顯得多熱。關鍵是造成汽球膨脹和二氧化碳變熱的總能量與你裝入汽球的熱量相同。第一定理被拿來描述好多事情——包括冰柜和車輛底盤的工作原理。它是數學學的支柱之一。」
Paul。
熱力學第一定理誕生于19世紀50年代，僅適用于可以正確定義體溫的系統，即所謂的平衡狀態。比如，一杯冰水和一杯冷水混和在一起，最終會達到二者之間的「溫暖」溫度，這個「溫暖」的氣溫就是平衡。但是，當冷水和熱水還沒有達到那種終點時，水就喪失了平衡。同樣，在現代科學的許多領域，系統也不處于平衡狀態。
100多年來熱力學第2定律，研究人員仍然企圖將第一定理擴充到不處于平衡狀態的普通材料，但這些理論只有在系統接近平衡時——即冷水和熱水幾乎混和時——才有效。比如，這種理論在遠離平衡的空間等離子體中不起作用和的工作彌補了這一限制的空白。「我們將熱力學第一定理推廣到非平衡系統。」說。「我們進行了估算，以確定有多少能量與不平衡的物質相關，無論系統接近或遠離平衡，它都有效。」
她們的研究有許多潛在的應用。該理論將幫助科學家了解太空中的等離子體，這對于打算應對太空天氣十分重要。當太陽大氣中的巨大噴發將過熱等離子體噴射到太空時，才會發生太空天氣。它可能造成停水、衛星通訊中斷和客機改道等問題。「這一結果代表著我們在理解上邁出了一大步。」說。「到目前為止，我們研究領域的最新技術是僅考慮與膨脹和加熱相關的能量轉換，但我們的理論提供了一種方式來估算非平衡狀態下的所有能量。」
依據能量轉換通道對相空間密度fσ的影響顯示能量轉換通道的示意圖。（來源：論文）
「因為熱力學第一定理的應用這么廣泛，」說熱力學第2定律，「我們希望各個領域的科學家都能使用我們的結果。比如，它可能有助于研究高溫等離子體，這對半導體和電路行業的刻蝕很重要，以及物理和量子估算等其他領域。它還可能有助于天文學家研究星體怎樣隨時間演進。
與和相關的開創性研究正在西佛羅里達學院動力學實驗、理論和綜合估算等離子體化學中心的PHAse空間映射實驗中進行。「正在對不平衡的等離子體中的能量轉換進行與空間相關的檢測。這種檢測結果在全世界都是獨一無二的，」說。同樣，他和取得的突破將改變等離子體和空間化學學的面貌，這些創舉并不常常發生。
「物理學定理并不多——牛頓定理、電磁定理、熱力學三大定理和量子熱學定理，」物理與天文學系院長兼臨時主席說。「對那些早已存在了150多年的定理之一進行改進是一項重大成就。」
「這些新的第一性原理造成了應用于等離子體的非平衡統計熱學，這是NSF[推動科學進步]使命所促使的學術研究的一個挺好的反例，」美國國家科學基金會等離子體化學學項目組長Lukin說。
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