Des physiciens relookent la première loi de la thermodynamique


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    Les physiciens de l’Université de Virginie-Occidentale ont fait une percée sur une limitation séculaire de la première loi de la thermodynamique.

    Paul Cassak, professeur et directeur associé du Center for KINETIC Plasma Physics, et l’assistant de recherche diplômé Hasan Barbhuiya, tous deux du Département de physique et d’astronomie, étudient comment l’énergie est convertie dans les plasmas surchauffés dans l’espace. Leurs conclusions, financées par une subvention de la National Science Foundation et publiées dans le Lettres d’examen physique journal, réorganisera la compréhension des scientifiques sur la façon dont les plasmas dans l’espace et les laboratoires se réchauffent, et pourrait avoir une grande variété d’autres applications dans la physique et d’autres sciences.

    La première loi de la thermodynamique stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais qu’elle peut être convertie en différentes formes.

    “Supposons que vous chauffiez un ballon”, a déclaré Cassak. “La première loi de la thermodynamique vous indique à quel point le ballon se dilate et à quel point le gaz à l’intérieur du ballon devient plus chaud. La clé est que la quantité totale d’énergie provoquant la dilatation du ballon et le réchauffement du gaz est la même que la quantité de chaleur que vous mettez dans le ballon. La première loi a été utilisée pour décrire de nombreuses choses, y compris le fonctionnement des réfrigérateurs et des moteurs de voiture. C’est l’un des piliers de la physique.”

    Développée dans les années 1850, la première loi de la thermodynamique n’est valable que pour les systèmes dans lesquels une température peut être correctement définie, état connu sous le nom d’équilibre. Par exemple, lorsqu’elles sont combinées, une tasse d’eau froide et une tasse d’eau chaude finiront par atteindre une température chaude entre elles. Cette température chaude est l’équilibre. Cependant, lorsque l’eau chaude et l’eau froide n’ont pas encore atteint ce point final, l’eau est hors d’équilibre.

    De même, dans de nombreux domaines de la science moderne, les systèmes ne sont pas en équilibre. Pendant plus de 100 ans, les chercheurs ont tenté d’étendre la première loi aux matériaux communs non en équilibre, mais de telles théories ne fonctionnent que lorsque le système est presque là – lorsque l’eau chaude et l’eau froide sont presque mélangées. Les théories ne fonctionnent pas, par exemple, dans les plasmas spatiaux, qui sont loin de l’équilibre.

    Les travaux de Cassak et Barbhuiya comblent les lacunes de cette limitation.

    “Nous avons généralisé la première loi de la thermodynamique pour les systèmes qui ne sont pas en équilibre”, a déclaré Cassak. “Nous avons fait un calcul au crayon et au papier pour trouver la quantité d’énergie associée au fait que la matière n’est pas en équilibre, et cela fonctionne que le système soit proche ou éloigné de l’équilibre.”

    Leurs recherches ont de nombreuses applications potentielles. La théorie aidera les scientifiques à comprendre les plasmas dans l’espace, ce qui est important pour se préparer à la météo spatiale. La météo spatiale se produit lorsque d’énormes éruptions dans l’atmosphère solaire projettent du plasma surchauffé dans l’espace. Cela peut entraîner des problèmes tels que des pannes de courant, des interruptions des communications par satellite et le réacheminement des avions.

    “Le résultat représente une très grande étape de notre compréhension”, a déclaré Cassak. “Jusqu’à présent, l’état de l’art dans notre domaine de recherche consistait à tenir compte de la conversion d’énergie uniquement associée à l’expansion et au chauffage, mais notre théorie fournit un moyen de calculer toute l’énergie de ne pas être en équilibre.”

    “Parce que la première loi de la thermodynamique est si largement utilisée”, a déclaré Barbhuiya, “nous espérons que les scientifiques d’un large éventail de domaines pourront utiliser nos résultats”.

    Par exemple, il peut être utile pour étudier les plasmas à basse température – qui sont importants pour la gravure dans l’industrie des semi-conducteurs et des circuits – ainsi que dans d’autres domaines comme la chimie et l’informatique quantique. Cela pourrait également aider les astronomes à étudier l’évolution des galaxies dans le temps.

    Des recherches révolutionnaires liées à Cassak et Barbhuiya sont menées dans PHASMA, l’expérience PHAse Space MApping, au Centre WVU pour la physique des plasmas computationnelle expérimentale, théorique et intégrée KINetic.

    “PHASMA effectue des mesures spatiales de la conversion d’énergie dans des plasmas qui ne sont pas en équilibre. Ces mesures sont totalement uniques au monde”, a déclaré Cassak.

    De même, la percée que lui et Barbhuiya ont faite changera le paysage de la physique des plasmas et de l’espace, un exploit qui n’arrive pas souvent.

    “Il n’y a pas beaucoup de lois de la physique – 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”, a déclaré Duncan Lorimer, professeur et directeur par intérim du Département de physique et d’astronomie. . « Prendre l’une de ces lois qui existe depuis plus de 150 ans et l’améliorer est une réalisation majeure.

    “Ce nouveau résultat de premiers principes dans la mécanique statistique hors équilibre appliquée aux plasmas est un excellent exemple de la recherche universitaire rendue possible par la mission de la NSF” de promouvoir le progrès de la science “”, a déclaré Vyacheslav Lukin, directeur du programme de physique des plasmas dans le Division de physique de la NSF.

    Haoming Liang, de l’Université de l’Alabama à Huntsville, et Matthew Argall, de l’Université du New Hampshire, ont rejoint les chercheurs de la WVU sur le projet.

    Houssen Moshinaly

    Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009.

    Blogueur et essayiste, j'ai écrit 9 livres sur différents sujets comme la corruption en science, les singularités technologiques ou encore des fictions. Je propose aujourd'hui des analyses politiques et géopolitiques sur le nouveau monde qui arrive. J'ai une formation de rédaction web et une longue carrière de prolétaire.

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