Thermodynamica geeft inzicht in de interne energie van een systeem en de energie-interactie met zijn omgeving. Dit is afhankelijk van het lokale thermische evenwicht van een systeem. De toepassing van klassieke thermodynamica op systemen in onevenwicht is een uitdaging. Deze omvatten korrelig gas en materialen, harde bol verpakking in 3D, en plasmasystemen.

De uitzetting van een gas zonder elektrische lading is typisch bestudeerd met behulp van traditionele thermodynamica. Experimenten met eenvoudige gassen kunnen eenvoudig worden uitgevoerd in laboratoria, terwijl die met gasvormige plasma's van astrofysische en zonne-interesse een aantal problemen opleveren. Waarnemingen in de buurt van de zon en in een baan om de aarde zijn geïnterpreteerd als een demonstratie dat zonnewind niet adiabatisch uitzet vanaf de zon, zoals zou worden verwacht voor deze bijna-botsingloze omgeving. Liever, het breidt isotherm uit, wat inhoudt dat verwarming van het plasma plaatsvindt terwijl het zich voortplant door de interplanetaire ruimte.

Veel laboratoriumexperimenten onder adiabatische omstandigheden hebben ook een bijna isotherme expansie aangetoond in magnetische sproeiers en de relatie met astrofysische plasma's. Echter, in deze zich uitbreidende adiabatische systemen, het lijkt erop dat elektrische velden een significant effect kunnen hebben op de dynamiek van de elektronen, en een zeer sterk elektrisch veld dat de elektronen opsluit, vormt zich gewoonlijk bij de plasma-wandgrens in laboratoriumplasma's. Dus wat zou er gebeuren als er geen elektrische velden waren die de elektronen opsluiten?

Onderzoekers van de Tohoku University en de Australian National University hebben de energietoestand van plasma bestudeerd wanneer het interageert met magnetische en elektrische velden [Fig1]. De studie heeft implicaties voor het begrip van plasma-stuwraketten met magnetische straalpijpen die worden gebruikt om ruimtevaartuigen voort te stuwen, aangezien energieconversie het essentiële proces is om de prestaties van de boegschroef te bepalen.

In een laboratorium aan de Tohoku University, onderzoekers Kazunori Takahashi, Christine Karel, Rod W Boswell en Akira Ando hebben een speciaal ontworpen experiment uitgevoerd waarbij ze de elektrische veldvangende elektronen in het systeem hebben verwijderd. resulterend in de elektronen die alleen interageren met het uitzettende magnetische veld. De experimentele resultaten tonen de afnemende elektronentemperatuur langs de expansie, na een bijna perfecte adiabatische expansie van een elektronengas bij verwijdering van de elektrische velden uit het systeem.

Rekening houdend met de eerste wet van de thermodynamica, er is momenteel geen warmteoverdracht, maar er moet gewerkt worden aan de muren rondom het systeem om de interne energie te verlagen. Het uitzettende magnetische veld is geen fysieke grens, zodat er geen warmte wordt overgedragen. Wanneer de elektrische velden in het plasma worden verwijderd, geen van de elektronen zit vast in het plasmasysteem, waardoor de elektronen vrij zijn om te interageren met de beperkende magnetische wand - de plasmadrukkracht werkt op de magnetische grens. Deze drukkracht kan ook worden begrepen als een Lorentz-kracht die wordt gegenereerd om een ​​ruimtevaartuig voort te stuwen in een plasma-stuwraket met magnetische straalpijpen.

Vandaar, de afname van de elektronentemperatuur langs de uitzetting is het gevolg van het verlagen van de interne energie van dit adiabatische systeem waarbij het elektronengas werk doet op het uitzettende magnetische veld. Dit houdt in dat klassieke thermodynamische principes kunnen worden uitgebreid tot de expansie van een botsingsloos elektronengas, ver van evenwicht zijn, in een magnetisch mondstuk.

Door de plasma-wandgrens in hun laboratoriumplasma te verwijderen en daardoor het bijbehorende elektrische veld en elektronenvangst te verwijderen, de onderzoekers reproduceerden de grensvrije omstandigheden in de ruimte. De resultaten geven nieuw inzicht in de plasmathermodynamica en -technologie die van toepassing is op de ruimtefysica en de ontwikkeling van plasmavoortstuwing. Verdere gedetailleerde experimenten zijn gepland. De krant is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .