Une équipe du Center for KINETIC Plasma Physics de l’Université de Virginie-Occidentale a dépassé pour la première fois une limite imposée par la première loi de la thermodynamique : en étudiant les conversions d’énergie qui se produisent dans les plasmas surchauffés de l’espace, ils ont réussi à étendre cette loi à des systèmes qui ne sont pas en équilibre.
Le premier principe de la thermodynamique stipule que lors de toute transformation dans un système en équilibre, il y a conservation de l’énergie. En d’autres termes, dans un système donné, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais peut être convertie en différentes formes. « Supposons que vous chauffiez un ballon. La première loi de la thermodynamique vous indique à quel point le ballon se dilate et à quel point le gaz à l’intérieur du ballon se réchauffe. La clé est que la quantité totale d’énergie qui provoque l’expansion du ballon et le réchauffement du gaz est la même que la quantité de chaleur fournie au ballon », explique Paul Cassak, professeur et directeur associé du Center for KINETIC Plasma Physics.
Ce principe, énoncé en 1850, permet de décrire de nombreux systèmes physiques. « C’est l’un des piliers de la physique », souligne le professeur. Il n’est toutefois valable que pour les systèmes en équilibre — ou très proches de l’équilibre — dans lesquels une température peut être correctement définie. Depuis plus d’un siècle, les scientifiques tentent d’étendre cette loi à des systèmes qui sont hors équilibre — et que l’on rencontre fréquemment dans la science moderne.
Des mesures de plasma uniques au monde
Les plasmas spatiaux, constitués de particules chargées, sont un exemple de système éloigné de l’équilibre et sont très répandus dans l’Univers. « Les plasmas faiblement collisionnels et sans collision sont généralement loin de l’équilibre thermodynamique local, et la compréhension de la conversion d’énergie dans ces systèmes est un problème de recherche de premier plan », expliquent les chercheurs dans Physical Review Letters.
Cassak et son collègue Hasan Barbhuiya, assistant de recherche à l’Université de Virginie-Occidentale, ont examiné comment l’énergie est convertie dans ces plasmas spatiaux lorsqu’ils sont surchauffés, dans le cadre de l’expérience PHASMA (PHAse Space MApping).
Cette expérience de laboratoire unique au monde consiste à réaliser des mesures tridimensionnelles des fonctions de distribution de la vitesse des ions et des électrons à des échelles cinétiques dans des plasmas. À partir de la fonction de distribution des vitesses, il est possible de calculer la densité, le débit moyen et la température de chaque espèce. Les plasmas étudiés sont spécifiquement conçus pour refléter les propriétés clés des plasmas qui se produisent naturellement dans l’espace.
Ils sont finalement parvenus à généraliser la première loi de la thermodynamique à ce type de système. « Nous avons fait un calcul au crayon et au papier pour trouver la quantité d’énergie associée à la matière qui n’est pas en équilibre, et cela fonctionne que le système soit proche ou éloigné de l’équilibre », a déclaré Cassak.
Jusqu’à présent, l’approche standard consistait à prendre en compte uniquement les changements de l’énergie thermique interne et de la densité. La nouvelle théorie développée par les deux chercheurs introduit un moyen de calculer toute l’énergie provenant du fait de ne pas être en équilibre. « Nous calculons la conversion d’énergie associée à tous les moments d’ordre supérieur de la densité de l’espace des phases pour les systèmes qui ne sont pas en équilibre thermodynamique local », expliquent-ils.
De nombreuses applications potentielles
Comme le souligne Duncan Lorimer, professeur et président par intérim du Département de physique et d’astronomie de l’Université de Virginie-Occidentale, les lois de la physique sur lesquelles repose tout ce qui nous entoure sont finalement peu nombreuses. On dénombre les lois de Newton, les lois de l’électricité et du magnétisme, les trois lois de la thermodynamique et les lois de la mécanique quantique. Par conséquent, les travaux de Cassak et Barbhuiya constituent un véritable exploit. « Prendre une de ces lois qui existe depuis plus de 150 ans et l’améliorer est une réalisation majeure », a-t-il déclaré.
Étant donné que la première loi de la thermodynamique est utilisée dans de nombreux domaines, leur théorie pourrait avoir plusieurs applications potentielles. Elle pourrait par exemple être utilisée pour étudier les plasmas à basse température — qui sont largement utilisés dans l’industrie pour le dépôt, la gravure, le traitement de surface des métaux ou le dopage des semi-conducteurs par implantation ionique. Elle pourrait également avoir des implications dans les recherches sur la fusion nucléaire.
Les résultats peuvent être utiles dans de nombreux autres contextes impliquant des plasmas. Ils pourraient notamment aider les astronomes à étudier l’évolution des galaxies dans le temps, ou améliorer notre compréhension du plasma surchauffé émis dans l’espace lors des éruptions solaires — améliorant au passage les prédictions de la météo spatiale. « Nous espérons que les scientifiques d’un grand nombre de domaines pourront utiliser nos résultats », a déclaré Barbhuiya.
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