編輯|蝴蝶蘭
熱力學(xué)第一定理強(qiáng)調(diào)，能量既不能陡然形成，也不能陡然消失，只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，但是能量的方式也可以轉(zhuǎn)換。
西佛羅里達(dá)學(xué)院等離子體化學(xué)中心Paul院長(zhǎng)兼副校長(zhǎng)和數(shù)學(xué)與天文學(xué)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(zhuǎn)換。將徹底改變對(duì)空間和實(shí)驗(yàn)室中等離子體怎么加熱的理解，并可能對(duì)化學(xué)學(xué)和其他科學(xué)形成深遠(yuǎn)影響。
這一發(fā)覺以「in-OrderPhaseSpacein」為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（）刊物上，
論文鏈接：
「假設(shè)你加熱了一個(gè)汽球，」說。「熱力學(xué)第一定理告訴你汽球膨脹了多少，以及汽球內(nèi)部的二氧化碳顯得多熱。關(guān)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(shù)學(xué)學(xué)的支柱之一。」
Paul。
熱力學(xué)第一定理誕生于19世紀(jì)50年代，僅適用于可以正確定義體溫的系統(tǒng)，即所謂的平衡狀態(tài)。比如，一杯冰水和一杯冷水混和在一起，最終會(huì)達(dá)到二者之間的「溫暖」溫度，這個(gè)「溫暖」的氣溫就是平衡。但是，當(dāng)冷水和熱水還沒有達(dá)到那種終點(diǎn)時(shí)，水就喪失了平衡。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多年來熱力學(xué)第2定律，研究人員仍然企圖將第一定理擴(kuò)充到不處于平衡狀態(tài)的普通材料，但這些理論只有在系統(tǒng)接近平衡時(shí)——即冷水和熱水幾乎混和時(shí)——才有效。比如，這種理論在遠(yuǎn)離平衡的空間等離子體中不起作用和的工作彌補(bǔ)了這一限制的空白。「我們將熱力學(xué)第一定理推廣到非平衡系統(tǒng)。」說。「我們進(jìn)行了估算，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。」
她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(duì)于打算應(yīng)對(duì)太空天氣十分重要。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(shí)，才會(huì)發(fā)生太空天氣。它可能造成停水、衛(wèi)星通訊中斷和客機(jī)改道等問題。「這一結(jié)果代表著我們?cè)诶斫馍线~出了一大步。」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式來估算非平衡狀態(tài)下的所有能量。」
依據(jù)能量轉(zhuǎn)換通道對(duì)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)第一定理的應(yīng)用這么廣泛，」說熱力學(xué)第2定律，「我們希望各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家都能使用我們的結(jié)果。比如，它可能有助于研究高溫等離子體，這對(duì)半導(dǎo)體和電路行業(yè)的刻蝕很重要，以及物理和量子估算等其他領(lǐng)域。它還可能有助于天文學(xué)家研究星體怎樣隨時(shí)間演進(jìn)。
與和相關(guān)的開創(chuàng)性研究正在西佛羅里達(dá)學(xué)院動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論和綜合估算等離子體化學(xué)中心的PHAse空間映射實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。「正在對(duì)不平衡的等離子體中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行與空間相關(guān)的檢測(cè)。這種檢測(cè)結(jié)果在全世界都是獨(dú)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(xué)學(xué)的面貌，這些創(chuàng)舉并不常常發(fā)生。
「物理學(xué)定理并不多——牛頓定理、電磁定理、熱力學(xué)三大定理和量子熱學(xué)定理，」物理與天文學(xué)系院長(zhǎng)兼臨時(shí)主席說。「對(duì)那些早已存在了150多年的定理之一進(jìn)行改進(jìn)是一項(xiàng)重大成就。」
「這些新的第一性原理造成了應(yīng)用于等離子體的非平衡統(tǒng)計(jì)熱學(xué)，這是NSF[推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步]使命所促使的學(xué)術(shù)研究的一個(gè)挺好的反例，」美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)等離子體化學(xué)學(xué)項(xiàng)目組長(zhǎng)Lukin說。
參考內(nèi)容：