Les physiciens de l'Université de Virginie-Occidentale ont surmonté une limitation de longue date de la première règle de la thermodynamique. La conversion d'énergie dans les plasmas surchauffés dans l'espace est étudiée par Paul Cassak, professeur et vice-directeur du KINETIC Center for Plasma Physics de la West Virginia University, et Hasan Barbhuiya, chercheur diplômé au Département de physique et d'astronomie. Leurs recherches, soutenues par la National Science Foundation, ont été publiées dans la revue Physical Review Letters. La recherche, qui devrait révolutionner nos connaissances sur la façon dont les plasmas sont chauffés dans les laboratoires et dans l'espace, pourrait avoir de vastes implications pour la physique et d'autres domaines d'étude.
Selon la première loi de la thermodynamique, l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais elle peut être transformée en diverses formes.
"Imaginez tirer un ballon", a déclaré Cassak. La première règle de la thermodynamique donne des informations sur le taux d'expansion du ballon et le taux de chauffage du gaz à l'intérieur du ballon. La chose importante à retenir est que la quantité de chaleur que vous envoyez dans le ballon est égale à la quantité totale d'énergie qui provoque l'expansion du ballon et le réchauffement du gaz. Beaucoup de choses, telles que le fonctionnement des réfrigérateurs et des moteurs d'automobiles, sont définies par la première règle. C'est un principe fondamental de la science.
La première loi de la thermodynamique, établie dans les années 1850, n'est valable que pour les systèmes en équilibre ou dont la température peut être précisément définie. Par exemple, lorsqu'une tasse d'eau froide et une tasse d'eau chaude se rejoignent, elles finiront par atteindre une température chaude. L'équilibre est à cette température chaude. Cependant, lorsque l'eau chaude et froide n'a pas encore atteint ce point final, l'eau est déséquilibrée.
De même, les systèmes de nombreuses branches de la science moderne ne sont pas en équilibre.
La première règle a été étendue aux matériaux courants qui ne sont pas en équilibre depuis plus d'un siècle, mais de telles théories ne s'appliquent que lorsque le système est presque en équilibre, par exemple lorsque l'eau chaude et l'eau froide sont presque mélangées. Par exemple, ces idées ne sont pas valables dans les plasmas de l'espace qui sont loin de l'équilibre.
Les travaux de Cassak et Barbhuiya comblent les lacunes concernant cette restriction.
Selon Cassak, nous avons étendu la première règle de la thermodynamique aux systèmes qui ne sont pas en équilibre. À l'aide d'un stylo et de papier, nous avons calculé la quantité d'énergie associée à la matière en déséquilibre, et la formule est vraie, que le système soit proche ou éloigné de l'équilibre.
La recherche a de nombreuses utilisations possibles. L'hypothèse aidera les chercheurs à comprendre les plasmas spatiaux, ce qui est crucial pour se préparer à la météo spatiale. Les explosions massives dans l'atmosphère solaire, qui libèrent du plasma surchauffé dans l'espace, provoquent la météo spatiale. Cela peut entraîner des problèmes tels que des pannes de courant, des perturbations des communications par satellite et le réacheminement des aéronefs.
Selon Cassak, ce résultat "représente une étape vraiment importante dans notre compréhension". "Jusqu'à présent, la technologie de pointe dans notre domaine de recherche n'a pris en compte que la conversion d'énergie associée à l'expansion et au réchauffement, mais notre théorie fournit un moyen de calculer toute l'énergie qui résulte d'un déséquilibre, » écrit l'auteur.
Selon Barbhuiya, nous espérons que les scientifiques travaillant dans diverses disciplines pourront utiliser nos découvertes, car la première loi de la thermodynamique est si souvent utilisée.
Par exemple, cela pourrait être utile pour étudier les plasmas à basse température, qui sont cruciaux pour la gravure dans les semi-conducteurs et les circuits, et dans d'autres disciplines telles que la chimie et l'informatique quantique. Les astronomes peuvent l'utiliser pour mieux comprendre comment les galaxies changent au fil du temps.
L'expérience PHAse Space MApping du WVU Center for Kinetics Experimental, Theoretical and Integrated Computational Plasma Physics est révolutionnaire dans le domaine de Cassak et Barbhuiya.
« PHASMA effectue des études de conversion d'énergie dans des plasmas hors d'équilibre liés à l'espace. Selon Cassak, ces mesures sont tout à fait originales dans le monde entier.
Avec Barbhuiya, leur découverte changera également le domaine de la physique des plasmas et de l'espace, une réalisation qui est rare.
Les lois de Newton, les lois de l'électricité et du magnétisme, les trois lois de la thermodynamique et les lois de la mécanique quantique sont les seules lois connues de la physique, selon Duncan Lorimer, professeur et vice-président du Département de physique et d'astronomie. Selon Lorimer, l'amélioration d'une règle en vigueur depuis plus de 150 ans est une réalisation importante.
Selon Vyacheslav Lukin, directeur du programme de physique des plasmas au département de physique de la NSF, "Ces nouveaux résultats sur les premiers principes de la mécanique statistique hors équilibre appliquée aux plasmas sont un merveilleux exemple de la recherche universitaire permise par l'objectif de la NSF de "promouvoir l'avancement de la science."
Source : "Quantification de la conversion d'énergie dans les moments de densité spatiale de phase d'ordre supérieur dans les plasmas" par Paul A. Cassak, M. Hasan Barbhuiya, Haoming Liang et Matthew R. Argall, 22 février 2023, Physical Review Letters.
📩 03/04/2023 20:13