A termodinâmica fornece uma visão sobre a energia interna de um sistema e a interação da energia com seus arredores. Isso depende do equilíbrio térmico local de um sistema. A aplicação da termodinâmica clássica a sistemas em desequilíbrio é um desafio. Isso inclui gás granular e materiais, embalagem de esfera dura em 3-D, e sistemas de plasma.

A expansão de um gás sem carga elétrica tem sido tipicamente estudada usando a termodinâmica tradicional. Experimentos com gases simples podem ser facilmente realizados em laboratórios, enquanto os que envolvem plasmas gasosos de interesse astrofísico e solar apresentam uma série de dificuldades. As observações perto do sol e na órbita da Terra foram interpretadas como uma demonstração de que o vento solar não se expande adiabaticamente a partir do sol, como seria de se esperar para este ambiente quase sem colisão. Em vez, ele se expande isotermicamente, implicando que o aquecimento do plasma ocorre conforme ele se propaga através do espaço interplanetário.

Muitos experimentos baseados em laboratório em condições adiabáticas também mostraram uma expansão quase isotérmica em bicos magnéticos e a relação com plasmas astrofísicos. Contudo, nesses sistemas adiabáticos em expansão, parece que os campos elétricos podem ter um efeito significativo na dinâmica dos elétrons, e um campo elétrico muito forte prendendo os elétrons geralmente se forma no limite da parede do plasma em plasmas de laboratório. Então, o que aconteceria se não houvesse campos elétricos prendendo os elétrons?

Pesquisadores da Tohoku University e da Australian National University estudaram o estado de energia do plasma quando ele interage com campos magnéticos e elétricos [Fig1]. O estudo tem implicações para a compreensão dos propulsores de plasma de bico magnético usados ​​para propelir espaçonaves, uma vez que a conversão de energia é o processo essencial para determinar o desempenho do propulsor.

Em um laboratório da Tohoku University, pesquisadores Kazunori Takahashi, Christine Charles, Rod W Boswell e Akira Ando realizaram um experimento especialmente projetado em que removeram os elétrons que prendem o campo elétrico no sistema, resultando nos elétrons interagindo apenas com o campo magnético em expansão. Os resultados experimentais mostram a diminuição da temperatura do elétron ao longo da expansão, seguindo uma expansão adiabática quase perfeita de um gás de elétron após a remoção dos campos elétricos do sistema.

Tendo em mente a primeira lei da termodinâmica, atualmente não há transferência de calor, mas deve-se trabalhar nas paredes ao redor do sistema para diminuir sua energia interna. O campo magnético em expansão não é um limite físico, portanto, nenhum calor é transferido. Quando os campos elétricos dentro do plasma são removidos, nenhum dos elétrons está preso no sistema de plasma, deixando os elétrons livres para interagir com a parede magnética de confinamento - a força de pressão do plasma funciona na fronteira magnética. Esta força de pressão também pode ser entendida como uma força de Lorentz gerada para impulsionar uma espaçonave em um propulsor de plasma com bico magnético.

Portanto, a diminuição na temperatura do elétron ao longo da expansão resulta da redução da energia interna desse sistema adiabático com o gás do elétron trabalhando no campo magnético em expansão. Isso implica que os princípios termodinâmicos clássicos podem ser estendidos para a expansão de um gás de elétrons sem colisão, estando longe do equilíbrio, em um bico magnético.

Ao remover o limite da parede do plasma em seu plasma de laboratório e, assim, remover o campo elétrico correspondente e a captura de elétrons, os pesquisadores reproduziram as condições livres de fronteiras no espaço. Os resultados fornecem uma nova visão da termodinâmica do plasma e da tecnologia aplicável à física espacial e ao desenvolvimento da propulsão do plasma. Mais experimentos detalhados estão planejados. O artigo foi publicado em Cartas de revisão física .