West Virginia Üniversitesi fizikçileri termodinamiğin ilk kuralının uzun süredir devam eden bir kısıtlamasını aştı. Uzaydaki aşırı ısıtılmış plazmalarda enerji dönüşümü, West Virginia Üniversitesi’nde profesör ve KINETIC Plazma Fiziği Merkezi müdür yardımcısı olan Paul Cassak ile Fizik ve Astronomi Bölümü’nde yüksek lisans araştırma görevlisi olan Hasan Barbhuiya tarafından inceleniyor. Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen araştırmaları Physical Review Letters dergisinde yayımlandı. Plazmaların laboratuarlarda ve uzayda nasıl ısıtıldığına dair bilgilerimizde devrim yaratması beklenen araştırmanın fizik ve diğer çalışma alanları için geniş sonuçları olabilir.
Termodinamiğin ilk kuralına göre enerji yaratılamaz ya da yok edilemez, ancak çeşitli biçimlere dönüştürülebilir.
Cassak, “Bir balonu ateşlediğinizi düşünün. Termodinamiğin ilk kuralı balonun genişleme hızı ve balonun içindeki gazın ısınma hızı hakkında bilgi verir. Hatırlanması gereken önemli şey, balona gönderdiğiniz ısı miktarının, balonun genişlemesine ve gazın ısınmasına neden olan toplam enerji miktarına eşit olduğudur. Buzdolaplarının ve otomobil motorlarının çalışması gibi pek çok şey birinci kurala göre tanımlanmıştır. Bu, bilimin temel bir ilkesidir.
1850’lerde oluşturulan termodinamiğin ilk yasası yalnızca denge halindeki sistemler ya da sıcaklığın kesin olarak tanımlanabildiği durumlar için geçerlidir. Örneğin bir fincan soğuk su ve bir fincan sıcak su bir araya geldiğinde nihayetinde ılık bir sıcaklığa ulaşacaktır. Denge bu ılık sıcaklıktadır. Ancak sıcak ve soğuk su henüz bu son noktaya ulaşmadığında su denge dışıdır.
Aynı şekilde, çağdaş bilimin birçok dalında sistemler dengede değildir.
İlk kural, bir asırdan fazla bir süredir dengede olmayan yaygın malzemeler için genişletilmiştir, ancak bu tür teoriler yalnızca sistem neredeyse dengede olduğunda, örneğin sıcak ve soğuk su neredeyse karıştığında geçerlidir. Örneğin, dengeden uzak olan uzaydaki plazmalarda bu fikirler geçerli değildir.
Cassak ve Barbhuiya’nın çalışması bu kısıtlamayla ilgili boşlukları dolduruyor.
Cassak’a göre termodinamiğin ilk kuralını dengede olmayan sistemlere genişlettik. Kalem ve kağıt kullanarak dengede olmayan maddeyle ilişkili enerji miktarını hesapladık ve formül, sistem dengeye yakın ya da uzak olsa da geçerli.
Araştırmanın pek çok olası kullanım alanı var. Hipotez, araştırmacıların uzay plazmalarını anlamalarına yardımcı olacaktır ki bu da uzay havasına hazırlanmak için çok önemlidir. Güneş atmosferinde meydana gelen ve uzaya aşırı ısınmış plazma salan büyük patlamalar uzay havasına neden olur. Bu durum elektrik kesintileri, uydu iletişiminde aksamalar ve uçakların yeniden yönlendirilmesi gibi sorunlara yol açabilir.
Cassak’a göre bu sonuç “anlayışımızda gerçekten önemli bir adımı temsil ediyor.” Yazar, “Şimdiye kadar araştırma alanımızdaki en son teknoloji, yalnızca genleşme ve ısınmayla ilişkili enerji dönüşümünü hesaba katmaktı, ancak teorimiz dengede olmamaktan kaynaklanan tüm enerjiyi hesaplamanın bir yolunu sunuyor” diye yazıyor.
Barbhuiya’ya göre, termodinamiğin birinci yasası çok sık kullanıldığı için çeşitli disiplinlerde çalışan bilim insanlarının bulgumuzu kullanabileceklerini umuyoruz.
Örneğin, yarı iletken ve devre işinde aşındırma için çok önemli olan düşük sıcaklıklı plazmaların araştırılmasında ve kimya ve kuantum hesaplama gibi diğer disiplinlerde yardımcı olabilir. Gökbilimciler bunu galaksilerin zaman içinde nasıl değiştiğini daha iyi anlamak için kullanabilirler.
WVU Kinetik Deneysel, Teorik ve Entegre Hesaplamalı Plazma Fiziği Merkezi’ndeki PHAse Space MApping deneyi, Cassak ve Barbhuiya’nın alanında çığır açan bir çalışma yürütüyor.
“PHASMA, uzayla ilgili olan denge dışı plazmalarda enerji dönüşümü çalışmaları gerçekleştiriyor. Cassak’a göre bu ölçümler dünya çapında tamamen orijinaldir.
Barbhuiya ile birlikte yaptıkları keşif, plazma ve uzay fiziği alanını da değiştirecek ki bu nadir görülen bir başarıdır.
Newton’un yasaları, elektrik ve manyetizma yasaları, termodinamiğin üç yasası ve kuantum mekaniği yasaları, Fizik ve Astronomi Bölümü profesörü ve başkan vekili Duncan Lorimer’e göre fiziğin bilinen tek yasalarıdır. Lorimer’e göre 150 yılı aşkın bir süredir yürürlükte olan bir kuralın iyileştirilmesi önemli bir başarıdır.
NSF Fizik Bölümü’nde plazma fiziği program direktörü olan Vyacheslav Lukin’e göre, “Plazmalara uygulanan denge dışı istatistiksel mekaniğin bu yeni ilk prensip sonuçları, NSF’nin “bilimin ilerlemesini teşvik etme” hedefinin izin verdiği akademik araştırmaların harika bir örneğidir.”
Kaynak: “Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas” by Paul A. Cassak, M. Hasan Barbhuiya, Haoming Liang and Matthew R. Argall, 22 February 2023, Physical Review Letters.
