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磁冰箱的原理
(郑好望梁红军尹涛)
2001年12月7日,美国能源部在艾奥瓦州立大学埃姆斯实验室的科研人员制成世界上第一台能在室温下工作的磁冰箱,它利用铁磁性制冷工质进出磁场制冷,其效率比普通冰箱高30%以上,且无污染、无噪音、使用寿命长,是一种极具发展前景的绿色环保制冷技术,我国也已将“磁制冷冰箱项目”列入国家863科技计划。下面简要介绍一下磁制冷冰箱的工作原理。
磁热效应
早在1919年,科学家就发现有些金属在磁化时会变热,去磁后又会变冷。人们把绝热过程中铁磁质或顺磁质的温度随磁场强度的改变而变化的现象称为磁热效应,这一效应的数学表示是(dT/dH)s,其中H是磁场强度、S是磁介质的熵、T是热力学温度。由热力学理论可知,顺磁质(dT/dH)s>0;可见,绝热地减小磁场时,物质的温度将降低,因此这种现象也叫磁致冷效应。其微观机理是:构成物质的分子或原子所包含的每一个电子都同时参与两种运动,即电子的自旋运动和电子绕原子核的轨道运动,这两种运动都对应一定的磁矩——自旋磁矩和轨道磁矩,整个分子的磁矩是它所包含的所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。顺磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时杂乱无章,加上外磁场后,原子的磁矩沿外磁场取向排列,使磁矩有序化,从而减少了材料的磁熵,因而会向外排出热量;而一旦去掉外磁场,材料系统的磁有序度减小,磁熵增大,因
而会从外界吸收热量。如果先在等温情形下加外磁场,物质被磁化,系统放出热量;然后在绝热条件下撤去外磁场,磁矩的熵增加,但由于是绝热去磁,系统的总熵不变,磁矩的熵增加是以点阵振动的熵减少为代价的,这将导致物质的冷却。
绝热去磁是获得低温或超低温(低于1K的温度叫做超低温)的有效方法,,获得了千分之几开的低温;上世纪80年代后期,研究人员用超导磁铁设计出磁冰箱;进入21世纪以来,一些发达国家相继用永磁铁制造出在室温下工作的磁冰箱。
磁冰箱是根据磁热效应的原理制成的。稀土元素钆(Gd)是一种具有巨磁热效应的金属,在等温磁化时向外界放出热量,在绝热去磁时温度降低,因而可从外界吸取热量,达到制冷目的。为了完成制冷循环过程,可先在高温环境中对工质施加外磁场,并等温地实现伴随着熵减少而进行的放热过程;然后在低温下撤去外磁场,让工质进行等温吸热,最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接,就可完成制冷操作。用不同种类的过程连接上述两个过程可以得到不同的磁制冷循环,如磁卡诺循环、磁斯特林循环、磁埃里克森循环以及磁布雷顿循环等。
磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程连接两个等温过程(见图1)。在这个循环中,外部对制冷工质所做的功相当于四边形ABCD的面积。下面以最简单的磁卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明(见图2)。
等温磁化过程(图1中的AB过程):热开关Ⅰ闭合、Ⅱ断开,磁场施加于磁工质,使熵减小,通过高温热源与磁工质的热端连接,热量从磁工质传入高温热源。
绝热去磁过程(图1中的BC过程):热开关Ⅰ断开、Ⅱ仍断开,逐渐移去磁场,磁工质内自旋系统逐渐无序,在去磁过程中消耗内能,使磁工质温度下降到低温热源温度。
等温去磁过程(图1中的CD过程):Ⅱ闭合、Ⅰ仍断开,磁场继续减弱,磁工质从低温热源吸热。绝热磁化过程(图1中的DA过程):Ⅱ断开、