La termodinámica proporciona información sobre la energía interna de un sistema y la interacción de la energía con su entorno. Esto se basa en el equilibrio térmico local de un sistema. La aplicación de la termodinámica clásica a sistemas en desequilibrio es un desafío. Estos incluyen gases y materiales granulares, embalaje de esfera dura en 3-D, y sistemas de plasma.

La expansión de un gas sin carga eléctrica se ha estudiado típicamente utilizando termodinámica tradicional. Los experimentos con gases simples se pueden realizar fácilmente en laboratorios, mientras que los que involucran plasmas gaseosos de interés astrofísico y solar plantean una serie de dificultades. Las observaciones cerca del sol y en la órbita terrestre se han interpretado como una demostración de que el viento solar no se expande adiabáticamente desde el sol, como se esperaría para este entorno casi sin colisiones. Bastante, se expande isotermicamente, lo que implica que el calentamiento del plasma se produce a medida que se propaga a través del espacio interplanetario.

Muchos experimentos de laboratorio en condiciones adiabáticas también han mostrado una expansión casi isotérmica en las toberas magnéticas y la relación con los plasmas astrofísicos. Sin embargo, en estos sistemas adiabáticos en expansión, parece que los campos eléctricos pueden tener un efecto significativo en la dinámica de los electrones, y generalmente se forma un campo eléctrico muy fuerte que atrapa los electrones en el límite de la pared del plasma en los plasmas de laboratorio. Entonces, ¿qué pasaría si no hubiera campos eléctricos atrapando los electrones?

Investigadores de la Universidad de Tohoku y la Universidad Nacional de Australia han estudiado el estado energético del plasma cuando interactúa con campos magnéticos y eléctricos [Fig1]. El estudio tiene implicaciones para la comprensión de los propulsores de plasma de boquilla magnética utilizados para propulsar naves espaciales, ya que la conversión de energía es el proceso esencial para determinar el rendimiento del propulsor.

En un laboratorio de la Universidad de Tohoku, investigadores Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell y Akira Ando han realizado un experimento especialmente diseñado en el que eliminaron los electrones que atrapan el campo eléctrico en el sistema, dando como resultado que los electrones interactúen únicamente con el campo magnético en expansión. Los resultados experimentales muestran la disminución de la temperatura del electrón a lo largo de la expansión, después de una expansión adiabática casi perfecta de un gas de electrones al eliminar los campos eléctricos del sistema.

Teniendo en cuenta la primera ley de la termodinámica, actualmente no hay transferencia de calor, pero hay que trabajar en las paredes que rodean el sistema para reducir su energía interna. El campo magnético en expansión no es un límite físico, por lo que no se transfiere calor. Cuando se eliminan los campos eléctricos del plasma, ninguno de los electrones está atrapado en el sistema de plasma, dejando los electrones libres para interactuar con la pared magnética de confinamiento, la fuerza de presión del plasma actúa sobre el límite magnético. Esta fuerza de presión también puede entenderse como una fuerza de Lorentz generada para propulsar una nave espacial en un propulsor de plasma de boquilla magnética.

Por eso, la disminución de la temperatura de los electrones a lo largo de la expansión resulta de la disminución de la energía interna de este sistema adiabático con el gas de electrones trabajando en el campo magnético en expansión. Esto implica que los principios termodinámicos clásicos pueden extenderse a la expansión de un gas de electrones sin colisión, estando lejos del equilibrio, en una boquilla magnética.

Al eliminar el límite de la pared de plasma en su plasma de laboratorio y, por lo tanto, eliminar el campo eléctrico correspondiente y la captura de electrones, los investigadores reprodujeron las condiciones sin fronteras en el espacio. Los resultados brindan una nueva perspectiva de la termodinámica del plasma y la tecnología aplicable a la física espacial y al desarrollo de la propulsión del plasma. Se planean experimentos más detallados. El artículo fue publicado en Cartas de revisión física .