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热力学第一定律指出，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一个物体转移到另一个物体，而且能量的形式也可以转换。
西弗吉尼亚大学 KINETIC 等离子体物理中心 Paul Cassak 教授兼副主任和物理与天文学系研究生研究助理 Hasan Barbhuiya 正在研究太空中过热等离子体的能量转换。将彻底改变对空间和实验室中等离子体如何加热的理解，并可能对物理学和其他科学产生深远影响。
这一发现以「Quantifying Energy Conversion in Higher-Order Phase Space Density Moments in Plasmas」为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters journal）杂志上，
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.085201
「假设你加热了一个气球，」Cassak 说。「热力学第一定律告诉你气球膨胀了多少，以及气球内部的气体变得多热。关键是导致气球膨胀和气体变热的总能量与你放入气球的热量相同。第一定律被用来描述很多事情——包括冰箱和汽车发动机的工作原理。它是物理学的支柱之一。」
Paul Cassak。
热力学第一定律诞生于 19 世纪 50 年代，仅适用于可以正确定义温度的系统，即所谓的平衡状态。例如，一杯冷水和一杯热水混合在一起，最终会达到两者之间的「温暖」温度，这个「温暖」的温度就是平衡。然而，当热水和冷水还没有达到那个终点时，水就失去了平衡。同样，在现代科学的许多领域，系统也不处于平衡状态。
100 多年来，研究人员一直试图将第一定律扩展到不处于平衡状态的普通材料，但这种理论只有在系统接近平衡时——即热水和冷水几乎混合时——才有效。例如，这些理论在远离平衡的空间等离子体中不起作用 Cassak 和 Barbhuiya 的工作填补了这一限制的空白。「我们将热力学第一定律推广到非平衡系统。」Cassak 说。「我们进行了计算，以确定有多少能量与不平衡的物质相关，无论系统接近或远离平衡，它都有效。」
他们的研究有许多潜在的应用。该理论将帮助科学家了解太空中的等离子体，这对于准备应对太空天气非常重要。当太阳大气中的巨大喷发将过热等离子体喷射到太空时，就会发生太空天气。它可能导致停电、卫星通信中断和飞机改道等问题。「这一结果代表着我们在理解上迈出了一大步。」Cassak 说。「到目前为止，我们研究领域的最新技术是仅考虑与膨胀和加热相关的能量转换，但我们的理论提供了一种方法来计算非平衡状态下的所有能量。」
根据能量转换通道对相空间密度 fσ 的影响显示能量转换通道的示意图。（来源：论文）
「因为热力学第一定律的应用如此广泛，」 Barbhuiya 说，「我们希望各个领域的科学家都能使用我们的结果。例如，它可能有助于研究低温等离子体，这对半导体和电路行业的蚀刻很重要，以及化学和量子计算等其他领域。它还可能有助于天文学家研究星系如何随时间演化。
与 Cassak 和 Barbhuiya 相关的开创性研究正在西弗吉尼亚大学动力学实验、理论和综合计算等离子体物理中心的 PHAse 空间映射实验 PHASMA 中进行。「PHASMA 正在对不平衡的等离子体中的能量转换进行与空间相关的测量。这些测量结果在全世界都是独一无二的，」Cassak 说。同样，他和 Barbhuiya 取得的突破将改变等离子体和空间物理学的面貌，这种壮举并不经常发生。
「物理学定律并不多——牛顿定律、电磁定律、热力学三大定律和量子力学定律，」物理与天文学系教授兼临时主席 Duncan Lorimer 说。「对这些已经存在了 150 多年的定律之一进行改进是一项重大成就。」
「这些新的第一性原理导致了应用于等离子体的非平衡统计力学，这是 NSF [促进科学进步] 使命所促成的学术研究的一个很好的例子，」美国国家科学基金会等离子体物理学项目主任 Vyacheslav Lukin 说。
参考内容：https://scitechdaily.com/physics-breakthrough-researchers-overcome-long-standing-limitation-of-first-law-of-thermodynamics/
