غلبه بر یکی از محدودیت‌های قانون اول ترمودینامیک

قانون اول ترمودینامیک بیان می‌کند که «انرژی نه تولید می‌شود و نه از بین می‌رود بلکه تنها از شکلی به شکل دیگر درمی‌آید.» یک بالن را در نظر بگیرید که در حال گرم شدن است.

قانون اول ترمودینامیک اینچنین بیان می‌کند که میزان انبساط بالن و میزان گرم شدن گاز درون آن وابسته است به میزان گرمایی که برای گرم شدن بالن به آن وارد می‌شود. قانون اول ترمودینامیک چیزهای مختلفی را در زندگی روزمره توضیح می‌دهد که یخچال‌ها و موتور خودروها نیز جزء آن‌ها هستند. این قانون را می‌توان به‌عنوان یکی از ستون‌های فیزیک در نظر گرفت.

قانون اول ترمودینامیک در دهه‌ی ۱۸۵۰ میلادی بنا نهاده شده است، ولی فقط برای سیستم‌هایی کاربرد دارد که در حالت تعادل باشند. به عنوان مثال، زمانی که یک لیوان آب داغ با یک لیوان آب سرد مخلوط می‌شود و به یک دمای تعادل می‌رسد؛ قانون اول ترمودینامیک فقط برای زمانی کاربرد دارد که دمای مخلوط آب‌ها به دمای تعادل رسیده باشد و زمانی که هنوز دمای آب به تعادل نرسیده است، نمی‌توان بر قانون اول ترمودینامیک تکیه کرد.

در علم مدرن، سیستم‌ها عموماً در حالت تعادل نیستند و دانشمندان به مدت ۱۰۰ سال تلاش کردند تا قانون اول ترمودینامیک را برای مواد معمولی که در حالت تعادل نیستند نیز به کار ببرند، ولی دریافتند که این قانون تنها زمانی کار می‌کند که سیستم حداقل نزدیک به حالت تعادل باشد. اکنون دانشمندان دانشگاه وست ویرجینیا مقاله‌ای در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر کرده‌اند که به نظر می‌رسد این محدودیت را پشت سر گذاشته‌اند.

دانشمندان کار خود را از محاسبات کاغذی شروع کرده‌اند. آن‌ها در ابتدا میزان انرژی موجود در موادی که در تعادل نیستند را محاسبه کردند. به این ترتیب، توانسته‌اند با تجمیع انرژی ناشی از گرما و دیگر اشکال انرژی با انرژی موادی که در تعادل نیستند، مجموع انرژی را محاسبه کنند و قانون اول ترمودینامیک را برای این مجموع انرژی به کار ببرند و نتیجه بگیرند که انرژی نه تولید می‌شود و نه از بین می‌رود، بلکه از شکلی به شکل دیگر درمی‌آید.

از نتایج به‌دست آمده در این مطالعه می‌توان برای مطالعه‌ی پلاسماهای دما پایین استفاده کرد. مطالعه‌ی این پلاسما برای صنعت مدارات الکتریکی و نیمه‌هادی‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است.

به هر حال، این مطالعه را می‌توان مطالعه‌ای انقلابی نامید؛ زیرا توانسته یکی از قوانین فیزیکی که به مدت بیش از ۱۵۰ سال مورد استفاده جامعه‌ی علمی جهانی است را بهبود دهد.