Ανατροπή στη Φυσική: Ξαναγράφεται ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής

Μια ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια δημοσίευσε μια εργασία που εξηγεί λεπτομερώς πώς ο θεμελιώδης αυτός νόμος μπορεί να εφαρμοστεί ευρύτερα από ποτέ — ένα εύρημα που έχει τη δυνατότητα να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τα πολύπλοκα ενεργειακά συστήματα.

Το παράδειγμα με το μπαλόνι

«Υποθέστε ότι θερμαίνετε ένα μπαλόνι», δήλωσε σε δελτίο Tύπου ο Paul Cassak, κύριος συγγραφέας της μελέτης.  «Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, λέει πόσο διογκώνεται το μπαλόνι και πόσο θερμότερο γίνεται το αέριο στο εσωτερικό του.  Το κλειδί είναι ότι η συνολική ποσότητα ενέργειας που προκαλεί τη διαστολή του μπαλονιού και τη θέρμανση του αερίου είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που διοχετεύσατε στο μπαλόνι».

Ο νόμος αυτός αποτελεί ένα απίστευτα χρήσιμο εργαλείο για τους φυσικούς από την ανακάλυψή του στη δεκαετία του 1850. Υπάρχει όμως μια παγίδα — ιστορικά, λειτουργούσε μόνο όταν τα συστήματα βρίσκονταν σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας ή κοντά σε αυτήν. Στην ουσία, αυτό σημαίνει ότι η θερμοκρασία ενός συστήματος είναι ομοιόμορφη παντού. Δεν υπάρχουν μεγάλες θερμές και ψυχρές περιοχές. Όλα έχουν ουσιαστικά την ίδια θερμοκρασία, γεγονός που σημαίνει ότι όλα έχουν σχεδόν την ίδια ποσότητα ενέργειας.

Και επειδή δεν βρισκόμαστε πλέον στο 1850 και προσπαθούμε να απαντήσουμε σε πιο λεπτομερή ερωτήματα για το σύμπαν γύρω μας, οι ερευνητές προσπαθούν εδώ και καιρό να βρουν έναν τρόπο να εφαρμόσουν τον πρώτο νόμο σε συστήματα που δεν βρίσκονται σε ισορροπία. Παρόλο που μπορεί να μην έρχεστε αντιμέτωποι με πολλά από αυτά τα συστήματα στην καθημερινότητά σας, είναι πολύ κοινά σε όλο το σύμπαν σε ουσίες όπως το πλάσμα του διαστήματος — το οποίο συναντάται παντού, από τις ουρές των κομητών μέχρι τα εξωτερικά στρώματα των άστρων.

Εξερεύνηση και εφαρμογές της νέας αντίληψης του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής

Η ανακάλυψη για αυτή την ομάδα ερευνητών ήρθε με τη μορφή πολλών περίπλοκων μαθηματικών υπολογισμών. Ουσιαστικά, η μετατροπή ενέργειας σε συστήματα που βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία μπορεί να περιγραφεί σχεδόν εξ ολοκλήρου από την πυκνότητα και την πίεσή τους. Όμως, η συμπεριφορά της μετατροπής ενέργειας σε πιο πολύπλοκα συστήματα καθορίζεται από πολύ περισσότερα στοιχεία πέρα από την πυκνότητα και την πίεση.

«Εκτός ισορροπίας, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής συνεχίζει να περιγράφει μόνο τη μετατροπή ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που μεταβάλλει την πυκνότητα και τη θερμοκρασία», λέει ο Cassak στο Popular Mechanics.  «Αυτό που ανακαλύψαμε είναι ότι όλες οι άλλες ποσότητες που περιγράφουν το αέριο, το υγρό ή το πλάσμα όταν αυτό δεν βρίσκεται σε ισορροπία, μένουν εκτός του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής».

Αυτό που χρειαζόταν η ομάδα ήταν ένας τρόπος να ποσοτικοποιήσει όλη τη μετατροπή ενέργειας που δεν περιγραφόταν από την πυκνότητα και την πίεση. Και τον βρήκαν. Στο απαίδευτο μάτι, η λύση πιθανότατα θα μοιάζει απλώς με μια πυκνή και δυσνόητη ομάδα εξισώσεων. Αλλά για έναν φυσικό, η μαθηματική περιγραφή αυτών των πρόσθετων ιδιοτήτων μοιάζει με ευκαιρία. Οι πιθανές εφαρμογές αυτής της εργασίας εκτείνονται από τη χημεία και τα κυκλώματα μέχρι τους κβαντικούς υπολογιστές και τον καιρό στο διάστημα.

Τέτοιου είδους προσαρμογές στην κατανόησή μας για τα βασικά δομικά στοιχεία της φυσικής δεν συμβαίνουν συχνά, οπότε όταν συμβαίνουν, έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν σε τεράστιο βαθμό το πεδίο και όσους σχετίζονται με αυτό. Αυτό αποδεικνύει ότι ακόμα και νόμοι αιώνων μπορούν να γίνουν ξανά επίκαιροι, αν τους μελετήσουμε αρκετά προσεκτικά.

Πηγή: enikos.gr

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ «Ιάκωβος, αδελφός του Ιησού»: Το οστεοφυλάκιο που δίχασε αρχαιολόγους και επιστήμονες παγκοσμίως