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Físicos da West Virginia University fizeram uma descoberta em uma limitação antiga da primeira lei da termodinâmica.
Paul Cassak, professor e diretor associado do Center for KINETIC Plasma Physics, e o assistente de pesquisa Hasan Barbhuiya, ambos do Departamento de Física e Astronomia, estão estudando como a energia é convertida em plasmas superaquecidos no espaço. Suas descobertas, financiadas por uma bolsa da National Science Foundation e publicadas no Cartas de revisão física revista, renovará a compreensão dos cientistas sobre como os plasmas no espaço e nos laboratórios são aquecidos e pode ter uma ampla variedade de aplicações adicionais na física e em outras ciências.
A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, mas pode ser convertida em diferentes formas.
“Suponha que você aqueça um balão”, disse Cassak. “A primeira lei da termodinâmica informa quanto o balão se expande e quanto mais quente o gás dentro do balão fica. A chave é que a quantidade total de energia que faz com que o balão se expanda e o gás fique mais quente é a mesma quantidade de calor que você coloca no balão. A primeira lei tem sido usada para descrever muitas coisas – incluindo como geladeiras e motores de carros funcionam. É um dos pilares da física.”
Desenvolvida na década de 1850, a primeira lei da termodinâmica só é válida para sistemas nos quais uma temperatura pode ser definida adequadamente, um estado conhecido como equilíbrio. Por exemplo, quando combinados, um copo de água fria e um copo de água quente acabarão por atingir uma temperatura quente entre eles. Esta temperatura quente é o equilíbrio. No entanto, quando a água quente e fria ainda não atingiram esse ponto final, a água está fora de equilíbrio.
Da mesma forma, em muitas áreas da ciência moderna, os sistemas não estão em equilíbrio. Por mais de 100 anos, os pesquisadores tentaram expandir a primeira lei para materiais comuns fora do equilíbrio, mas essas teorias só funcionam quando o sistema está quase lá – quando a água quente e fria estão quase misturadas. As teorias não funcionam, por exemplo, em plasmas espaciais, que estão longe do equilíbrio.
O trabalho de Cassak e Barbhuiya preenche as lacunas dessa limitação.
“Nós generalizamos a primeira lei da termodinâmica para sistemas que não estão em equilíbrio”, disse Cassak. “Fizemos um cálculo de lápis e papel para descobrir quanta energia está associada à matéria que não está em equilíbrio, e funciona se o sistema está perto ou longe do equilíbrio”.
Sua pesquisa tem inúmeras aplicações potenciais. A teoria ajudará os cientistas a entender os plasmas no espaço, o que é importante para se preparar para o clima espacial. O clima espacial ocorre quando enormes erupções na atmosfera solar lançam plasma superaquecido no espaço. Pode causar problemas como falta de energia, interrupções nas comunicações via satélite e redirecionamento de aviões.
“O resultado representa um grande passo em nossa compreensão”, disse Cassak. “Até agora, o estado da arte em nossa área de pesquisa era contabilizar a conversão de energia associada apenas à expansão e ao aquecimento, mas nossa teoria fornece uma maneira de calcular toda a energia que não está em equilíbrio.”
“Como a primeira lei da termodinâmica é tão amplamente utilizada”, disse Barbhuiya, “esperamos que cientistas em uma ampla gama de campos possam usar nosso resultado”.
Por exemplo, pode ser útil para estudar plasmas de baixa temperatura – que são importantes para a corrosão na indústria de semicondutores e circuitos – bem como em outras áreas como química e computação quântica. Também pode ajudar os astrônomos a estudar como as galáxias evoluem no tempo.
Pesquisas inovadoras relacionadas a Cassak e Barbhuiya estão sendo realizadas no PHASMA, o experimento PHAse Space MApping, no WVU Center for CINetic Experimental, Theoretical and Integrated Computational Plasma Physics.
“PHASMA está fazendo medições relevantes para o espaço de conversão de energia em plasmas que não estão em equilíbrio. Essas medições são totalmente únicas em todo o mundo”, disse Cassak.
Da mesma forma, a descoberta que ele e Barbhuiya fizeram mudará a paisagem do plasma e da física espacial, um feito que não acontece com frequência.
“Não existem muitas leis da física – as leis de Newton, as leis da eletricidade e do magnetismo, as três leis da termodinâmica e as leis da mecânica quântica”, disse Duncan Lorimer, professor e presidente interino do Departamento de Física e Astronomia. . “Pegar uma dessas leis que existe há mais de 150 anos e melhorá-la é uma grande conquista.”
“Esses novos primeiros princípios resultam em mecânica estatística de não-equilíbrio aplicada a plasmas é um grande exemplo da pesquisa acadêmica possibilitada pela missão da NSF de ‘promover o progresso da ciência’”, disse Vyacheslav Lukin, diretor do programa de física de plasma na NSF Divisão de Física.
Juntando-se aos pesquisadores da WVU no projeto estavam Haoming Liang, da Universidade do Alabama em Huntsville, e Matthew Argall, da Universidade de New Hampshire.
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