Una nuova versione della prima legge della termodinamica ci farà capire meglio il plasma

Il Professore Paul Cassak e il ricercatore Hasan Barbhuiya del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università del West Virginia studiano da anni come l'energia viene convertita all’interno di plasmi surriscaldati. La loro ultima ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters e permette di aggiungere un tassello in più alla prima legge della termodinamica, in particolare sulla dinamica di sistemi non in equilibrio. Perché questo studio è così importante? Semplice: i risultati potrebbero avere un effetto benefico non sono nel campo dei plasmi, ma anche in molte altre applicazioni scientifiche.

Una premessa sulla prima legge della termodinamica

Prima di gettarci a capofitto nel nuovo studio, spendiamo due parole per spiegare più nel dettaglio in cosa consiste la prima legge della termodinamica.
Questa afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta, ma può essere soltanto convertita in altre forme.  Questa legge fu sviluppata nel 1850 ed è tuttora utilizzata per descrivere il funzionamento dei motori delle automobili, dei frigoriferi e di tutti quei processi termici che utilizziamo nella vita di tutti i giorni per trasformare l’energia da una forma all’altra.

L'importanza della nuova ricerca

Questa legge è valida solo per i sistemi in cui è possibile definire, per ogni stato, un’unica temperatura globale, conosciuta come temperatura di equilibrio. Ad esempio, se mescoliamo del caffè caldo con del latte freddo, dovremmo aspettare qualche secondo prima di raggiungere una temperatura uniforme all’interno della bevanda, quella che viene chiamata, appunto, temperatura di equilibrio. Tuttavia, quando il caffè ed il latte non hanno ancora raggiunto una temperatura omogenea, si parla di uno stato fuori dall’equilibrio.
In molte aree della scienza moderna però i sistemi da studiare non sono in equilibrio: è il caso ad esempio del plasma nello spazio. La ricerca di Cassak e Barbhuiya, basata sull’esperimento PHASMA (da PHAse Space MApping, basato sullo studio del plasma), cerca di colmare i limiti della prima legge della termodinamica ed estenderla anche alle transizioni tra uno stato e l’altro. Queste le parole di Paul Cassak:

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Abbiamo generalizzato la prima legge della termodinamica per sistemi che non sono in equilibro. Abbiamo fatto un calcolo con carta e matita per trovare quanta energia è associata con materia non in equilibrio, e funziona sia che il sistema sia vicino o molto lontano dall'equilibro.

Possibili applicazioni

Una delle possibili applicazioni riguarda la meteorologia spaziale, ovvero quella disciplina che studia le perturbazioni dello spazio interplanetario, come ad esempio eruzioni solari che fanno esplodere il plasma surriscaldato. Queste perturbazioni, infatti, possono generare problemi di comunicazione con satelliti ed aerei e comprenderle ci permetterebbe di risolvere questi inconvenienti.
Inoltre potrebbe essere utile anche per studiare i plasmi a bassa temperatura utilizzati nell’industria dei semiconduttori, per studiare le galassie, o in altri settori come chimica e informatica quantistica.