Termodynamik ger inblick i ett systems inre energi och energiinteraktionen med dess omgivning. Detta bygger på den lokala termiska jämvikten i ett system. Tillämpningen av klassisk termodynamik på system i obalans är utmanande. Dessa inkluderar granulatgas och material, hård sfärförpackning i 3D, och plasmasystem.

Expansionen av en gas utan elektrisk laddning har vanligtvis studerats med traditionell termodynamik. Experiment med enkla gaser kan enkelt utföras i laboratorier, De som innefattar gasplasma av astrofysiskt och solintresse utgör ett antal svårigheter. Observationer nära solen och i jordens bana har tolkats som en demonstration av att solvinden inte expanderar adiabatiskt från solen, som skulle förväntas för denna nära kollisionlösa miljö. Snarare, det expanderar isotermiskt, vilket innebär att uppvärmning av plasma sker när den sprider sig genom interplanetärt utrymme.

Många laboratoriebaserade experiment under adiabatiska förhållanden har också visat en nästan isotermisk expansion i magnetiska munstycken och sambandet med astrofysiska plasma. Dock, i dessa expanderande adiabatiska system, det verkar som om elektriska fält kan ha en betydande effekt på elektronernas dynamik, och ett mycket starkt elektriskt fält som fångar elektronerna bildas vanligtvis vid plasma-vägggränsen i laboratorieplasma. Så vad skulle hända om det inte fanns några elektriska fält som fångade elektronerna?

Forskare från Tohoku University och Australian National University har studerat plasmas energitillstånd när det interagerar med magnetiska och elektriska fält [Fig1]. Studien har konsekvenser för förståelsen av magnetiska munstycksplasmatruster som används för att driva rymdfarkoster, eftersom energiomvandling är den väsentliga processen för att bestämma thrusterns prestanda.

I ett laboratorium vid Tohoku University, forskare Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell och Akira Ando har utfört ett specialdesignat experiment där de tog bort de elektriska fältfångande elektronerna i systemet, vilket resulterar i att elektronerna enbart interagerar med det expanderande magnetfältet. De experimentella resultaten visar den minskande elektrontemperaturen längs expansionen, efter en nästan perfekt adiabatisk expansion av en elektrongas vid avlägsnande av de elektriska fälten från systemet.

Med tanke på termodynamikens första lag, det finns för närvarande ingen värmeöverföring, men arbete måste utföras på väggarna som omger systemet för att sänka dess inre energi. Det expanderande magnetfältet är inte en fysisk gräns, så ingen värme överförs. När de elektriska fälten i plasma tas bort, ingen av elektronerna är instängda i plasmasystemet, lämnar elektronerna fria att interagera med den begränsande magnetväggen - plasmatryckskraften fungerar på den magnetiska gränsen. Denna tryckkraft kan också förstås som en Lorentz -kraft som genereras för att driva ett rymdskepp i en magnetisk munstycksplasmastruster.

Därav, minskningen av elektrontemperaturen längs expansionen beror på att den inre energin i detta adiabatiska system sänks med elektrongasen som arbetar på det expanderande magnetfältet. Detta innebär att klassiska termodynamiska principer kan utvidgas till expansion av en kollisionsfri elektrongas, är långt ifrån jämvikt, i ett magnetmunstycke.

Genom att ta bort plasma-vägggränsen i deras laboratorieplasma och därigenom ta bort motsvarande elektriska fält och elektronfångning, forskarna reproducerade de gränsfria förhållandena i rymden. Resultaten ger ny inblick i plasmatermodynamik och teknik som är tillämplig på rymdfysik och plasmadrivning. Ytterligare detaljerade experiment är planerade. Tidningen publicerades i Fysiska granskningsbrev .