علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Physics Breakthrough: Researchers Overcome Long-Standing Limitation of First Law of Thermodynamics
(WEST VIRGINIA UNIVERSITY – بواسطة: جامعة ويست فيرجينيا)
ملخص المقالة:
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة، ولكن يمكن تحويلها إلى أشكال مختلفة. وقد تغلب فيزيائيو جامعة وست فرجينيا على قيود طويلة الأمد لهذا القانون، ويتوقَع أن تحدث نتائجهم ثورة في فهم كيفية تسخين البلازما في الفضاء والمختبرات ويكون لها آثار بعيدة المدى في الفيزياء والعلوم الأخرى. وسوف تساعد النظرية الجديدة العلماء على فهم البلازما في الفضاء، وهو أمر مهم للتحضير لمناخ الفضاء الذي يحدث وسيغير مشهد فيزياء الفضاء والبلازما. ويحدث مناخ الفضاء عندما تقوم الانفجارات الضخمة في الغلاف الجوي الشمسي بتفجير البلازما شديدة الحرارة في الفضاء، ويمكن أن يسبب هذا مشاكل مثل انقطاع التيار الكهربائي، وانقطاعات اتصالات الأقمار الصناعية، وإعادة توجيه الطائرات. والأمل أن يتمكن العلماء من استخدام هذه النتائج في مجموعة واسعة من المجالات، وقد تكون النتائج مفيدة لدراسة البلازما منخفضة الحرارة التي تعتبر مهمة في صناعة أشباه الموصلات والدوائر، وكذلك في مجالات أخرى مثل الكيمياء والحوسبة الكمومية. كما قد يساعد علماء الفلك في دراسة كيفية تطور المجرات.
( المقالة )
تغلب الفيزيائيون في جامعة وست فرجينيا على قيود طويلة الأمد للقانون الأول للديناميكا الحرارية[2].
ويقوم البروفيسور بول كاساك، الأستاذ والمدير المساعد لمركز فيزياء البلازما الحركية في جامعة وست فرجينيا، وحسن باربويا (طالب الدراسات العليا)، مساعد باحث متخرج في قسم الفيزياء وعلم الفلك، بالتحقيق في تحويل الطاقة في البلازما شديدة الحرارة في الفضاء. وبتمويل من مؤسسة العلوم الوطنية (National Science Foundation)، يُتوقَع أن تحدث نتائجهم، المنشورة في مجلة “رسائل المراجعة الفيزيائية” (Physical Review Letters)، ثورة في فهم كيفية تسخين البلازما في الفضاء والمختبرات ويمكن أن يكون لها آثار بعيدة المدى في الفيزياء والعلوم الأخرى.
وقد تم تطوير القانون الأول للديناميكا الحرارية في خمسينيات القرن التاسع عشر، وهو صالح فقط للأنظمة التي يمكن فيها تحديد درجة الحرارة بشكل صحيح، وهي حالة تعرف باسم التوازن. فعلى سبيل المثال، عند الدمج، سيصل كوب من الماء البارد وكوب من الماء الساخن في النهاية إلى درجة حرارة دافئة بينهما. ودرجة الحرارة الدافئة هذه هي التوازن. ومع ذلك، عندما لا يصل الماء الساخن والبارد بعد إلى نقطة النهاية، يكون الماء خارج التوازن.
وبالمثل، في العديد من مجالات العلم الحديث، الأنظمة ليست في حالة توازن. وقد حاول الباحثون لأكثر من 100 عام توسيع القانون الأول للمواد الشائعة غير المتوازنة، لكن مثل هذه النظريات تعمل فقط عندما يكون النظام موجودًا تقريبًا – عندما يختلط الماء الساخن والبارد تقريبًا. ولا تعمل النظريات، على سبيل المثال، في البلازما الفضائية، وهي بعيدة عن التوازن. ويقوم عمل البروفيسور “كاساك” و “حسن باربويا” بملئ الفراغات في هذا القيد.
وقال البروفيسور كاساك: “عممنا القانون الأول للديناميكا الحرارية للأنظمة غير المتوازنة. لقد أجرينا عملية حسابية بالقلم الرصاص والورق لإيجاد مقدار الطاقة المرتبطة بالمادة التي لا تكون في حالة توازن، وهي تعمل سواء كان النظام قريبًا من التوازن أو بعيدًا عنه”.
ولأبحاثهم العديد من التطبيقات المحتملة. وسوف تساعد النظرية العلماء على فهم البلازما في الفضاء، وهو أمر مهم للتحضير لمناخ الفضاء[3]. ويحدث مناخ الفضاء عندما تقوم الانفجارات الضخمة في الغلاف الجوي الشمسي بتفجير البلازما شديدة الحرارة في الفضاء. ويمكن أن يسبب هذا مشاكل مثل انقطاع التيار الكهربائي، وانقطاعات اتصالات الأقمار الصناعية، وإعادة توجيه الطائرات.
وأضاف البروفيسور كاساك: “تمثل النتيجة حقًا خطوة كبيرة في فهمنا. حتى الآن، كانت أحدث التقنيات في مجال بحثنا هي حساب تحويل الطاقة المرتبط فقط بالتمدد والتسخين، لكن نظريتنا توفر طريقة لحساب كل الطاقة من حالة عدم التوازن”.
وقال باربويا: “نظرًا لاستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية على نطاق واسع، فإن أملنا هو أن يتمكن العلماء في مجموعة واسعة من المجالات من استخدام نتائجنا”.
وعلى سبيل المثال، قد يكون مفيدًا لدراسة البلازما منخفضة الحرارة – والتي تعتبر مهمة للحفر في صناعة أشباه الموصلات والدوائر – وكذلك في مجالات أخرى مثل الكيمياء والحوسبة الكمومية. وقد يساعد أيضًا علماء الفلك في دراسة كيفية تطور المجرات في الوقت المناسب.
ويتم إجراء أبحاث رائدة تتعلق ببرنامج البروفيسور كاساك و حسن باربويا في تجربة “رسم خرائط فضاء الطور” (PHAse Space MApping) [واختصارها “فاسما” (PHASMA)]، في مركز جامعة ويست فيرجينيا لفيزياء البلازما الحاسوبية التجريبية والنظرية والمتكاملة.
وتابع البروفيسور كاساك القول: “تقوم تجربة رسم خرائط فضاء الطور بإجراء قياسات ذات صلة بالفضاء لتحويل الطاقة في البلازما التي ليست في حالة توازن. هذه القياسات فريدة تمامًا في جميع أنحاء العالم”.
وبالمثل، فإن الاختراق الذي حققه هو وبربويا سيغير مشهد فيزياء الفضاء والبلازما، وهو إنجاز لا يحدث كثيرًا. وقال البروفيسور دنكان لوريمر، الأستاذ والرئيس المؤقت لقسم الفيزياء وعلم الفلك: “لا يوجد العديد من قوانين الفيزياء – قوانين نيوتن، قوانين الكهرباء والمغناطيسية، القوانين الثلاثة للديناميكا الحرارية، وقوانين ميكانيكا الكم”. وأضاف: “إن أخذ أحد هذه القوانين التي كانت موجودة منذ أكثر من 150 عامًا وتحسينها يعد إنجازًا كبيرًا”.
“هذه المبادئ الأولى الجديدة تؤدي إلى ميكانيكا إحصائية غير متوازنة كما هي مطبقة على البلازما هي مثال رائع على البحث الأكاديمي الذي مكنته مهمة مؤسسة العلوم الوطنية لتعزيز تقدم العلم”، قال الدكتور فياتشيسلاف لوكين، مدير برنامج فيزياء البلازما في قسم الفيزياء في مؤسسة العلوم الوطنية.
*تمت الترجمة بتصرف
المرجع: ” Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas ” بقلم بول أ. كاساك، م. حسن باربويا، هاومينغ ليانغ وماثيو ر. أرغال، 22 فبراير 2023، رسائل المراجعة الفيزيائية (Physical Review Letters). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.085201
ملاحظة: تم تمويل الدراسة من قبل مؤسسة العلوم الوطنية. وانضم الى باحثي جامعة ويست فيرجينيا في المشروع هاومينغ ليانغ من جامعة ألاباما في هانتسفيل، وماثيو أرغال من جامعة نيو هامبشاير.
المصدر:
الهوامش:
[1] الأرغون هو عنصر كيميائي برمز (Ar) والرقم الذري 18. وهو موجود في المجموعة 18 من الجدول الدوري وهو غاز نبيل [خامل]. ويعتبر الأرغون ثالث أكثر الغازات وفرة في الغلاف الجوي للأرض، بنسبة 0.934٪ (9340 جزء في المليون)، أي أكثر من ضعف وفرة بخار الماء (الذي يبلغ متوسطه حوالي 4000 جزء في المليون ، ولكنه يختلف بشكل كبير)، و 23 مرة أكثر من ثاني أكسيد الكربون (400 جزء في المليون)، وأكثر من 500 مرة مثل النيون (18 جزء في المليون). الأرغون هو الغاز الخامل الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، ويشكل 0.00015٪ من القشرة. يتم استخراج الأرغون صناعياً بالتقطير الجزئي للهواء السائل، ويستخدم في الغالب كغاز واق خامل في عمليات اللحام وغيرها من العمليات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية حيث تصبح المواد غير المتفاعلة في العادة تفاعلية؛ حيث يتم استخدام غاز الأرغون في أفران الجرافيت الكهربائية لمنع احتراق الجرافيت. ويستخدم أيضًا في الإضاءة المتوهجة والفلورية وأنابيب تفريغ الغاز الأخرى. ويكيبيديا [2] القانون الأول للديناميكا الحرارية هو صياغة لقانون الحفاظ على الطاقة، تم تكييفه للعمليات الديناميكية الحرارية. الصيغة البسيطة هي: “تظل الطاقة الكلية في النظام ثابتة، على الرغم من إمكانية تحويلها من شكل إلى آخر”. هناك عبارة شائعة أخرى وهي أن “الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها” (في “نظام مغلق”). ويكيبيديا [3] يشير مناخ الفضاء إلى التغيرات في بيئة الفضاء التي تنتج عن الجسيمات المشحونة والإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس. فعلى الأرض، يؤدي الماء ودرجة الحرارة والهواء إلى ظهور المناخ، في حين أن العوامل الرئيسية المساهمة في طقس الفضاء هي الجسيمات والطاقة الكهرومغناطيسية والمجالات المغناطيسية، وفقًا لخدمة المناخ الوطنية في المملكة المتحدة مكتب الأرصاد الجوية. ولحسن الحظ للحياة على الأرض، فإن كمية الحرارة والضوء التي تشعها الشمس ثابتة بشكل ملحوظ. ومع ذلك، يمكن للنجم أيضًا أن ينفخ المادة إلى الفضاء، على الرغم من مرور معظم تاريخ البشرية دون أن يلاحظها أحد. واليوم، يمكن لهذه الظواهر، المعروفة باسم مناخ الفضاء، أن يكون لها تأثيرات جذرية على الأقمار الصناعية في الفضاء والتكنولوجيا الإلكترونية التي نعتمد عليها. المصدر: Space weather: What is it and how is it predicted? | Space