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Volume 32: Pages 1-4, 2019
Dynamics of the solar wind: Eugene Parker’s treatment and the laws of thermodynamics
Pierre-Marie Robitaille1,a) and Stephen J. Crothers2,b)
1Department of Radiology and Chemical Physics Program, The Ohio State University, Columbus,
Ohio 43210, USA
2PO Box 1546, Sunshine Plaza 4558, Queensland, Australia
In 1958, Eugene Parker advanced that the solar wind must be produced through the thermal expansion of coronal gas. At the time, he introduced a dimensionless parameter, λ = GMSMH/2kbT0a, where G corresponds to the universal constant of gravitation, MS to the solar mass, MH to the mass of the hydrogen atom, kb to Boltzmann’s constant, T0 to the temperature at the location of interest, and a is the distance to the effective surface, or the radial distance, to the outer solar corona, the location of interest, relative to the center of the Sun. It is straightforward to demonstrate that this equation stands in violation of the 0th and 2nd laws of thermodynamics by simply rearranging the expression in terms of temperature: T0 = GMSMH/2kbλa. In that case, then temperature, an intensive property, is now being defined in terms of an extensive property, MS, and the radial position, a, which is neither intensive nor extensive. All other terms in this expression are constants and unable to affect the character of a thermodynamic property. As a result, temperature in this expression is not intensive. Consequently, the expression advanced by Parker is not compatible with the laws of thermodynamics. This analysis demonstrates that solar winds cannot originate from the thermal expansion of coronal gas, as is currently accepted.
En 1958, Eugene Parker a avancé que le vent solaire devait être produit par la dilatation thermique du gaz coronal. A l'époque, il introduisit un paramètre sans dimension, λ = GMSMH/2kbT0a, où G correspond à la constante universelle de gravitation, MS à la masse solaire, MH à la masse de l'atome d'hydrogène, kB à la constante de Boltzmann, T0 à la température à l'emplacement d'intérêt, et a est la distance à la surface effective, ou la distance radiale à la couronne solaire extérieure, la position d'intérêt, par rapport au centre du soleil. Il est simple de démontrer que cette équation viole les 1ière et 2ième lois de la thermodynamique en réarrangeant simplement l'expression en termes de température: T0 = GMSMH/2kbλa. Dans ce cas, la température, une propriété intensive, est maintenant définie en termes d’une propriété extensive, MS, et de la position radiale, a, qui n'est ni intensive ni extensive. Tous les autres termes de cette expression sont constants et incapables d'affecter le caractère d'une fonction d’état thermodynamique. En conséquence, la température dans cette expression n'est pas intensive. De même, l'expression avancée par Parker n'est pas compatible avec les lois de la thermodynamique. Cette analyse démontre que les vents solaires ne peuvent provenir de la dilatation thermique du gaz coronal, comme cela est actuellement accepté.
Key words: Solar Wind; Thermodynamics; Parker Solar Probe.
Received: September 26, 2018; Accepted: November 19, 2018; Published Online: December 7, 2018
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