磁制冷材料磁热效应热力学解释

磁热效应是磁性材料的一种固有特性，从热力学上来讲，它是通过外磁场使磁熵发生改变。当施加外磁场时，磁性材料内磁矩趋向于磁场方向，此时导致材料磁熵降低并放出热量。反之，当去除外磁场时，磁性材料内磁矩的取向是无规则的，相应的材料磁熵升高并吸收热量。

磁制冷材料磁制冷技术优点

与传统制冷技术相比，磁制冷技术具有高效节能、无污染、运行稳定可靠、寿命长等优点，因此，磁制冷技术被誉为是一种绿色制冷技术，如今越来越受到广泛的重视。该技术是利用磁性材料的磁热效应而达到制冷目的的。磁热效应( MCE)又称磁卡效应，指磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热磁化时升温的现象，这种现象在居里温度附近最显著。 2100433B

磁制冷材料概述

磁制冷材料是利用材料的磁热效应而开发的一类软磁材料，它可以用于磁制冷机中达到制冷或制热的目的。室温磁制冷材料是指用于室温区间的磁制冷材料。这类材料的开发成功将会使室温磁制冷机的应用起到关键的作用。因此，开发新型、廉价和高效的室温磁制冷材料是室温磁制冷机实用化以致商业化的关键。

磁制冷材料原理

铁磁性或亚铁磁性材料及磁有序材料在磁场作用下，磁性物质的磁矩将会沿磁场方向排列整齐，磁炳减小，而使磁性体的热量释放出来。若除去磁场，磁矩又将混乱排列磁嫡增人，将吸收周围环境的热能，使环境温度一下降，如采用一种合适的循环，就司一以降低磁性体所处的环境温度。

磁制冷材料磁制冷材料的评价

1、评价磁制冷材料时，不应该仅仅着眼点在等温磁熵变，还应该比较绝热温变，尤其是在比较不同系统的材料时更应该如此。

2、应用于永磁体的磁制冷机中的磁制冷材料，单位体积磁熵变直接影响到磁制冷机的设计、成本和使用效率，在其他参数相近时，高密度的磁制冷材料有较大的优势。因此，判断磁制冷材料的实用价值时，单位体积磁熵变是十分重要的参数。

3、相对制冷能力对判断室温磁制冷材料在磁制冷机中的冷却能力具有参考作用，可以初步判断磁制冷剂在机器中的制冷能力。

4、判断新开发的室温磁制冷材料的性质高低，应该与基准材料--纯金属钆的单位体积等温磁熵变，绝热温变和RCP进行比较，方可确定是否有实用价值。

绝热去磁制冷(a).

外加磁场强度的降低，材料中分子运动，使得原来磁热材料内部的各个区域（磁畴）重新失去方向。如果材料被孤立开来，例如绝热过程，磁畴将吸收热能已重新排布，结果使其温度下降。如图3所示，钆合金在磁场内部先被磁化加热，然后把热能散到环境中，此时它若离开磁场，则其温度会比进入的时候更冷。

磁热效应最显着的例子之一是化学元素钆及其一些合金。当进入某一磁场时，钆的温度会上升；当它离开磁场。温度下降钆合金的磁热效应更加强。镨与镍(PrNi5)合金的磁热效应最强，它使得科学家能够达到离绝对零度只有千分之一的范围内。2001年，已可成功地研制出可在室温下商业应用化的材料和永久磁铁，可用于制造可广泛使用的磁热制冷机。

绝热去磁制冷(b).

图4为顺磁性盐的熵一温图，先在T₁=1K时加入磁场进行等温磁化(过程1-2)，然后绝热去磁(过程2-3)，温度便从T₁=1K下降到0.001-0.005K。一般在绝热去磁过程中所用的顺磁性盐类主要有：铁铵[NH4Fe(SO4)2·12H2O]、铬钾矾[KCr(SO4)2·12H2O]、硝酸饰镁[Ce2Mg3(NO3)12·14H2O]等盐类。

图4是一个用绝热去磁方法产生低温的实验装置示意图。其过程如下：

1．先将顺磁性盐用一根细丝悬挂在一个装有低压气态氮的管子中，将管子上部的阀门关闭，再把管子放入装有减压液氦的杜瓦瓶内，由于管子内的低压氮气与减压液氦进行充分热交换，使顺磁性盐的温度达到与减压液氦的温度1K左右相接近，见图4(a)。

2.缓慢加入磁场，这时顺磁性盐产生的磁化热．通过与氮气进行热交换后传递给液氦，顺磁性盐的温度继续保持在1 K左右，见图4(b)。

3．打开阀门，抽去存放顺磁性盐管于内的氮气，并使其和周围液氦隔热，见图22(c) 。

4．关闭阀门，去掉磁场，顺磁场的温度就下降。如顺磁性盐和适当的磁场强度，可以获得0.001-0.005K的极低温度，绝热去磁制冷方法主要用于原子能工业等科研部门。

磁致冷是一种基于磁热效应的制冷技术，这种技术既可以用来实现极低温度（<1K），也可以在普通冰箱范围使用。该磁热效应是磁热力学现象，一个特殊材料的温度可随磁场强度而可逆变化，也被物理学家称为绝热去磁，因为他们应用这种过程的目的是专门为了产生温降。

任何一种金属物质在磁场中均会产生附加磁场，如果产生的附加磁场与原磁场的方向相同，则该物质称为顺磁性物质；反之，称为抗磁性物质，磁性制冷机中所采用的均是顺磁性物质。将顺磁性盐放在减压液氦中(温度在1K以下)，并加入磁场，进行等温磁化，然后在绝热条件下去掉磁场，由于绝热去磁作用需吸收大量磁化热，便产生致冷效应(即温度降低)，最低温度可达0.001一0.005K。

熵是系统无序度的量度：无序度愈大，熵就愈高。在磁场中，磁矩部分地排列整齐(部分有序)，所以加磁场使熵降低。如果降低温度，熵也会降低，因为这时有更多的磁矩排列整齐。

若在磁化以后，能够保持自旋系统的熵不变而将磁场撤去，那么自旋系统的有序度所相应的温度看来比同样的有序度在磁场存在时所相应的温度为低。当样品绝热去磁时熵只可能从晶格振动系统流入自旋系统，如图1所示。在感兴趣的温度下，晶格振动的熵通常小到可以忽略，因此在样品绝热去磁的过程中，自旋系统的熵基本上不改变。去磁致冷是单次操作的，不能循环进行。

首先求出N个离子系统的自旋熵表达式，每个离子的自旋为S，系统处在足够高的温度下，以致自旋排列完全无序。即假定T远高于某个特征温度△，△表征倾向于使自旋择优取向的相互作用能量(

当磁场使这2S 1个态的能量分开时，如果在低能量状态上的布居数(即粒子数)增加，那么就意味着外加磁场使这一自旋熵减小。

致冷过程的程序步骤示于图2。在温度T₁之下加磁场，样品与周围环境保持良好的接触，过程的这一步以等温线ab表示，然后样品绝热(△

分布于一个磁致子能级( magnetic sublevel)上的粒子数仅仅是

其中B表示初始磁场，T₁代表初始温度。