磁制冷
熵与绝热去磁制冷的原理与应用
熵与绝热去磁制冷的原理与应用赵蕾摘要：磁制冷是利用磁性物质的磁热效应来完成磁制冷循环的。
任一系统的冷却过程都是系统有序程度的增加或熵减少的过程。
磁性物质是由原子或具有磁矩的磁离子组成的结晶体，它有一定的热运动或热振动。
当不加磁场时，结晶体内磁矩的取向是无规则的，此时其相应的墒较大。
当磁场作用到工质上(磁化)时，磁矩沿磁场方向择优取向。
等温条件下，该过程导致工质熵的下降，有序度增加，向外界排热。
若此后磁场强度减弱，由于磁离子的热运动，其磁矩又趋于无序，在熵增加和等温条件下，工质从外界吸热，就能达到制冷的目的。
关键词：熵，测量无序的量，它称作熵，熵也是混沌度，是内部无序结构的总量物理意义：物质微观热运动时，混乱程度的标志。
热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。
在经典热力学中，可用增量定义为dS＝(dQ/T)，式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物质的热量。
下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。
若过程是不可逆的，则dS＞(dQ/T)不可逆。
单位质量物质的熵称为比熵，记为s。
绝热去磁：绝热去磁是产生1K以下低温的一个有效方法，即磁冷却法。
在绝热过程中顺磁固体的温度随磁场的减小而下降。
将顺磁体放在装有低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温，加上磁场（量级为10^6A/m）使顺磁体磁化，磁化过程时放出的热量由液氦吸收，从而保证磁化过程是等温的。
顺磁体磁化后，抽出低压氦气而使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小到很小的值（一般为零）利用固体中的顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK量级的低温。
例如从0.5K出发，使硝酸铈镁绝热去磁可降温到2mK。
当温度降到mK量级时，顺磁离子磁矩间的相互作用便不能忽略。
磁矩间的相互作用相当于产生一个等效的磁场（大小约10^4~10^3A/m），使磁矩的分布有序化，这方法便不再有效。
核磁矩的大小约为原子磁矩的1/2000。
6-1 磁制冷技术
BACK
2、磁制冷技术的发展历程
1881：Warburg首先发现磁热效应
Tianjin University of Commerce
1905：Lengeriz首次展示通过改变顺磁材料
的磁化强度导致可逆温度变化
1926、1927：Debye、Gianque从理论上推
导出可以利用绝热去磁制冷
Tianjin University of Commerce
A→B：等温磁化
B→C：绝热去磁 C→D：等温去磁 D→A：绝热磁化
09:20
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斯特林（Stirling）循环
Tianjin University of Commerce
两个等温过程
两个非绝热去磁过程
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材料 （R＝Er，Ho，Dy） 铒 钬
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磁制冷工质的研究
Tianjin University of Commerce
80K～室温区：当前人类致力的目标
1976：Brown采用金属钆首先实现了室温磁制
冷，制冷温差达80K，但未能实用化：需超导 磁场，稀土金属钆居里温度单一、价格昂贵等
名 称 优 点 缺 点
Tianjin University of Commerce
应 用
Carnot
结构简单，可靠性高， 温度跨度小，外磁场强度 效率高 高，操作复杂 可得到中等温度跨度 要求H/T=const.，外磁场 操作复杂，需要蓄冷器
<20K
Stirling
>20K
Ericsson
可得到大温度跨度,外磁 蓄冷器、外部换热器要求 场操作简单 高，效率较低
制冷空调新技术 第4章 磁制冷技术
臭氧层空洞 (Ozone depletion)
NASA (Wikipedia)
温室效应(Global warming)
Willis Carrier
Wikipedia
磁制冷作为一种环境友好的制冷技术，因效率可以达到卡诺循环的 30% ～ 60%（是气体压缩制冷技术的6倍），而受到了关注！
1. 磁热效应及原理
磁制冷的工作过程示意图
磁制冷工作原理示意图
磁制冷的热力循环
A→B：等温磁化 B→C：绝热去磁 C→D：等温去磁 D→A：绝热磁化
磁制冷的热力循环
两个等温过程 两个非绝热去磁过程
磁制冷的热力循环
两个等磁过程 两个绝热过程
磁制冷的热力循环
两个等温过程 两个等磁过程
磁制冷的热力循环
四种磁制冷循环的比较
反钙钛矿结构化合物虽然能在较宽的温度区间内保持较大的磁熵变，但是其居里温度远离室温，今后的研究重点在如何调节其居里温度在室温附近。
室温区（80K-室温） 在大于80K的温区，因为此时温度较高，晶格熵较大，顺磁工质已不适宜用作制冷工质了，需要用铁磁工质。主要包括4大系列：（1）Gd基系列合金;（2）Mn基系列合金；（3）LaFeSi基系列合金；（4）Heusler合金。
Gd基系列合金材料
Gd金属及其合金一直都是最具代表性的铁磁性材料，也是研究最为广泛的室温磁制冷材料，通常被作为研究其他材料的基准量。这主要是因为： Gd的顺磁相到铁磁相的转变属于二级相变，具有较大的磁矩； Gd金属4f层有7个未成对的电子，具有较高的自旋磁矩，磁热效应显著； 具有良好的导热性及较好的加工型； 金属Gd的居里温度（293K）正好在室温附近，且在居里温度处，0-5T磁场变化下最大的磁熵变ΔSmax约为9.5J/(kg·K)，最大绝热温变ΔTad约为12K。
绝热去磁制冷原理
绝热去磁制冷原理嘿，小伙伴们！今天咱们来聊聊一个超级酷的东西——绝热去磁制冷原理。
这名字听起来是不是有点高大上？其实呀，没那么难懂的。
咱们先来说说什么是制冷。
就像夏天的时候，咱们想要喝冰可乐，就得把可乐放到冰箱里降温。
冰箱制冷就是把热量给弄走，让里面的东西变得凉凉的。
那绝热去磁制冷呢，也是这么个道理，不过方法可就很特别啦。
这里面有两个关键的东西，一个是磁性材料，另一个就是绝热这个状态。
啥是绝热呢？就好比你把一个东西放到一个超级超级隔热的小盒子里，这个小盒子里的热量不会跑出去，外面的热量也进不来，就像一个与世隔绝的小世界一样。
那这个磁性材料又有啥用呢？磁性材料就像一个个小小的磁体。
平常的时候呢，这些小磁体是乱糟糟的，就像小朋友们在操场上乱跑一样，没有什么秩序。
当我们给这个磁性材料加上磁场的时候，就好像给这些乱跑的小朋友下了个命令，让他们都排好队，变得整整齐齐的。
这个时候呢，磁性材料会放出一些热量，就像小朋友们排队的时候累得出了点汗一样。
然后呢，我们在这个绝热的环境下，突然把磁场去掉。
这就好比突然把给小朋友排队的命令取消了，小朋友们又开始乱跑起来啦。
这时候呢，磁性材料就会吸收热量，就像小朋友们乱跑的时候把周围的热量都给吸走了一样。
这样一来，周围的温度就降低了，就达到了制冷的效果。
这里面的关键就是这个绝热的环境，要是热量能随便跑进来或者跑出去，那就没法很好地制冷啦。
就像你想让一个房间凉快，要是窗户和门都关不严，外面的热气一直往里面跑，那空调再怎么努力制冷也不行呀。
再举个例子吧，想象一下磁性材料是一群小蚂蚁。
有磁场的时候，小蚂蚁们排成整整齐齐的队伍，这个时候它们会释放出一些东西，就像热量。
然后在绝热的环境里，磁场没了，小蚂蚁们又乱成一团，这时候就开始吸收热量了。
所以呀，绝热去磁制冷就是利用磁性材料在磁场变化下热量的放出和吸收，再加上绝热这个特殊的条件，来达到制冷的目的。
是不是还挺有趣的呢？。
磁制冷材料原理方式
磁制冷材料原理方式磁制冷技术是一种新兴的绿色冷却方式，它利用磁场来实现冷却效果。
磁制冷材料是磁制冷技术的核心组成部分，它们通过变化磁场来实现磁定态和磁熵变。
本文将深入探讨磁制冷材料的原理方式，以期帮助读者更好地理解这一领域。
我们需要了解磁制冷材料的基本原理。
磁制冷是利用磁矢势进行换热的一种方法，其基本原理是在磁场中通过改变磁场强度或方向实现温度变化。
这种冷却方式是根据磁定态和磁熵变的原理实现的。
磁定态是指在磁场中磁矢势保持不变的状态。
磁制冷材料可以通过改变温度和磁场之间的关系来实现磁定态。
具体而言，当磁场增加时，磁制冷材料的温度会降低，而当磁场减小时，温度会升高。
这种磁定态的变化很大程度上依赖于材料的磁熵变。
磁熵变是指在磁场变化过程中，磁制冷材料的熵发生变化。
熵是物质微观状态的度量，它可以看作是物质的有序程度的度量。
磁制冷材料的熵随着磁场变化会发生变化，从而导致温度的变化。
磁制冷材料的原理方式主要有以下几种：1. 磁气制冷原理方式：这种方式是利用磁矢势对气体进行换热。
磁气制冷材料通常包括铁磁性材料和非铁磁性材料。
在磁场中，铁磁性材料的磁矢势随着温度的变化而变化，从而实现冷却效果。
非铁磁性材料通常通过调整材料的磁负熵效应来实现冷却。
2. 磁致冷原理方式：这种方式是利用磁矢势对固体材料进行换热。
磁致冷材料通常包括铁磁性材料和磁形状记忆合金。
在磁场中，铁磁性材料的磁矢势随着温度的变化而变化，从而实现冷却效果。
磁形状记忆合金则通过改变其形状来实现冷却效果。
3. 磁化力致冷原理方式：这种方式是利用磁矢势对液体材料进行换热。
磁化力致冷材料通常包括铁磁液体和磁流体。
在磁场中，铁磁液体的磁矢势随着温度的变化而变化，从而实现冷却效果。
磁流体则通过调整其磁流变性能来实现冷却效果。
总结回顾一下，磁制冷材料的原理方式主要包括磁气制冷、磁致冷和磁化力致冷。
这些原理方式都是通过改变磁场来实现温度变化，从而实现冷却效果。
磁制冷材料的磁定态和磁熵变是实现磁制冷效果的关键。
磁制冷技术
磁制冷技术磁制冷技术是一种基于磁场变化来实现冷却效果的新型冷却技术。
它利用磁场调控材料中的自旋系统，通过改变自旋系统的磁熵来实现冷却效果。
磁制冷技术具有环保、高效、节能等优点，因此在各个领域引起了广泛关注和研究。
磁制冷技术的基本原理是利用磁场对材料中自旋系统的调控作用。
在自旋系统中，自旋和磁矩是相互关联的，通过改变磁矩的方向和大小，可以改变自旋系统的自由度。
当磁矩受到外界磁场的作用时，自旋系统会发生磁熵变化，从而引起材料的温度变化。
为了实现磁制冷效果，需要选择合适的磁性材料和磁场调控方式。
目前常用的磁性材料有磁性金属、磁性合金和磁性气体等。
这些材料在外界磁场的作用下，会发生自旋磁矩的取向和大小变化，从而带来温度的变化。
磁制冷技术的应用领域非常广泛。
在低温领域，磁制冷技术可以用于冷却超导材料、磁共振成像仪和低温电子设备等。
在制冷空调领域，磁制冷技术可以用于替代传统的制冷剂，实现更高效、更环保的制冷效果。
此外，磁制冷技术还可以应用于食品冷藏、药品储存和航天器冷却等领域。
磁制冷技术相较于传统的压缩制冷技术具有很多优势。
首先，磁制冷技术不需要使用化学制冷剂，避免了对臭氧层的破坏和温室气体的排放。
其次，磁制冷技术具有高效节能的特点，可以大幅降低能耗和运行成本。
此外，磁制冷技术还可以实现温度的快速调控和精确控制，提高了制冷设备的性能和稳定性。
虽然磁制冷技术具有很多优点，但目前仍存在一些挑战和难题需要克服。
首先，磁制冷技术的研发和应用还处于起步阶段，需要进一步完善和优化。
其次，磁制冷材料的选择和制备也是一个关键问题，需要寻找更加适合的材料来实现高效制冷效果。
此外，磁制冷技术的成本问题也需要解决，以提高其在市场上的竞争力。
磁制冷技术作为一种新型的冷却技术，具有很大的潜力和应用前景。
通过磁场调控材料中的自旋系统，可以实现高效、环保的制冷效果。
随着磁制冷技术的不断发展和完善，相信它将在未来的各个领域发挥越来越重要的作用，为人们的生活带来更多的便利和舒适。
磁制冷技术
磁制冷技术
磁制冷是一种新型的可持续制冷技术，它将制冷机的拥有者和使用者分开，实现工业化制冷。
它利用强磁场传递低温热量，实现空气加热和冷凝空气加冷，最终实现空调效果。
磁制冷的优点是，制冷机与使用者是分开的，实现了可持续制冷。
而且，它还可以实现远距离传递热量，比如，将某个办公室的空调机组安装在另一个建筑物上，但却可以生成空调效果，从而降低安装成本。
此外，磁制冷还具有节能效果，因其能够散发热量到空气中，减少其燃料消耗。
二、原理
磁制冷的原理是利用磁性材料在两个绝缘体中产生强磁场，从而实现热量传递，实现空气加热和冷凝空气加冷，最终实现空调效果。
首先，磁性材料在一个受控环境中暴露于两个绝缘体之间，使其产生强磁场，这样磁性材料就可以传导热量，实现制冷作用。
其次，当空气进入磁性材料中时，空气会迅速被加热，这时空调机组的外部热量池就会被添加热量，实现空调效果。
最后，当空气从磁性材料的外部热量池中发出时，它会遵循受控环境的温度，从而实现冷凝空气加冷，实现制冷效果。
三、应用
磁制冷技术最常见的应用是空调系统，空调系统采用磁制冷技术实现制冷，通过磁场传递热量实现冷凝空气的加冷，最终实现空调效果。
同时，磁制冷也可以用于冰箱、冷藏室、冷柜等场合。
此外，磁制冷技术还可以应用于其他领域，比如工业热处理，它可以实现远距离传输热量，是实现工业热处理的有效手段。
四、结论
磁制冷是一种新型的可持续制冷技术，它利用强磁场实现热量传递，实现空气加热和冷凝空气加冷，从而实现制冷效果，广泛应用于空调、冰箱、冷藏室、冷柜等场合。
此外，它还可以实现远距离传输热量，是实现工业热处理的有效手段。
磁制冷技术的研究与发展现状
磁制冷技术的研究与发展现状摘要：磁制冷技术是一种环保型的制冷技术。
在目前能源危机，国家提倡节能减排的大环境下，磁制冷技术是目前的主要研究对象之一。
主要介绍了磁制冷技术的原理以及影响因素。
关键词：磁制冷原理影响因素1.前言制冷技术一直是工业上一个不可或缺的环节，如何提高制冷效率是整个民族乃至世界所面临的挑战。
目前，市场上的制冷方法用的最多的还是通过压缩机对气体工质（氟利昂，CO2等）进行压缩，依次经过冷凝器，膨胀机，进入蒸发器而实现热量的转移。
尽管所使用的压缩设备精益求精，或者采用多么完美的制冷工质，制冷效率还是局限于大型压缩设备的性能，局限于制冷工质的物理性质。
氟利昂的本身特性势必会被更加环保型材料所取代。
所以亟需寻找一种更加环保，效率更高的制冷手段。
磁制冷技术不需要采用任何液态制冷剂，对环境是没有任何影响；另一方面，相对于传统的压缩蒸汽制冷循环，磁制冷循环的效率可达到理想气体卡诺循环30%--60%，而传统压缩蒸汽制冷循环的效率一般只能达到5%--10%[1]，再次，由于磁工质是固体状态，其熵密度远远大于气体的熵密度，易于做到小型化；最后，由于整个过程不需要压缩机，所使用的运动部件相对少而且运行速度慢，可大幅度降低震动与噪声，可靠性高，并紧扣环保主题。
2.磁热（卡）效应和磁制冷循环原理磁热效应（magnetocaloric effect）就是绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象。
1881年Warburg[2]在实验中发现到金属铁在磁场磁化的环境下能够产生热量。
1895年ngeriz总结出了专有名词“磁热效应”。
1926年Debye[3]和Gianque[4]推导出了绝热去磁后磁体冷却的理论模型。
绝热地减小磁场时，物质的温度将降低，这种现象叫做磁致冷效应。
这是由于物质是由原子构成的，而原子由电子和原子核两部分组成，电子自带有自旋磁矩和轨道磁矩，这就使得有些物质的原子或离子带有磁矩。
磁制冷技术
磁制冷技术
磁制冷技术是一种新兴的制冷技术，它利用磁场来实现制冷效果。
与传统的压缩式制冷技术相比，磁制冷技术具有许多优势，包括能耗低、环保、无噪音等特点，因此备受关注。
在磁制冷技术中，磁场被用来控制磁性材料的热力学性质，从而实现制冷的目的。
通过改变磁场的强度和方向，可以控制磁性材料在磁热偶效应下的温度变化，从而实现制冷。
这种制冷原理既简单又高效，可以广泛应用于制冷设备中。
磁制冷技术的应用领域非常广泛，包括家用电器、医疗设备、航天器等。
在家用电器中，磁制冷技术可以用于制作节能环保的冰箱、空调等产品，大大降低能耗，减少对环境的影响。
在医疗设备领域，磁制冷技术可以用于制作超导磁体，帮助医生进行磁共振成像等诊断技术。
在航天器领域，磁制冷技术可以用于制作太空探测器的制冷系统，确保设备在极端环境下正常工作。
磁制冷技术的发展离不开材料科学的进步。
磁性材料的研究和开发是推动磁制冷技术发展的关键。
目前，已经有许多新型磁性材料被应用于磁制冷技术中，比如铁磁性材料、铁磁形状记忆合金等。
这些材料不仅具有良好的制冷性能，还具有稳定性高、成本低等优点，为磁制冷技术的广泛应用打下了基础。
随着社会的发展和人们对环保节能的重视，磁制冷技术必将在未来
得到更广泛的应用。
作为一种新兴的制冷技术，磁制冷技术不仅可以提高能源利用效率，还可以减少对环境的污染，是一种具有巨大潜力的技术。
我们期待未来，磁制冷技术能够不断创新发展，为人类创造更加舒适、环保的生活环境。
磁制冷的工作原理
磁制冷的工作原理
磁制冷是指利用某些物质的磁性，把磁能或热能直接转换成冷量，是一种新型的节能技术。
磁制冷可分为电制冷和磁制冷两大类。
电制冷利用电磁波的热效应，把热量从高温物体传向低温物体。
磁制冷则是利用磁场能的变化来实现热传递。
磁制冷是以非牛顿流体（即永磁体）为介质的一种新技术，它利用永磁体在磁场中运动时产生的磁矩变化来实现冷、热交换，并不改变介质的特性，而且可以实现无工质状态下的直接热传递。
磁制冷技术在军事、科研、工业等领域都有广泛的应用前景。
磁制冷系统包括：磁头、永磁体、换能器、磁场发生器以及控制系统。
在各种磁制冷设备中，换能器是将制冷机的制冷量与被冷却介质（水或空气）温度直接联系起来的装置，因此它是磁制冷技术中最重要的组成部分。
磁制冷系统中换能器包括：磁压缩式换热器、磁导式换热器和回转式换热器。
磁压缩式换热器是由磁化管（即磁场发生器）和金属管组成。
换能器的作用是将磁化管产生的交变磁场能转变为工质状态，以便完成能量从高温物体向低温物体转移的过程。
—— 1 —1 —。
磁制冷技术
磁制冷技术摘要：传统压缩制冷技术广泛应用于各行各业，形成了庞大的产业，但它存在两个明显的缺陷：制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。
根据蒙特利尔协议到 2000 年将全面禁止氟利昂的生产和使用，使制冷行业面临一场变革。
现在大力研究开发的无氟替代制冷剂，基本上可以克服破坏大气臭氧层的缺陷，但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷，而且有的还会产生温室效应等，不是根本解决办法。
磁制冷因具有高效节能、无环境污染、运行可靠、尺寸小、重量轻等优点，且完全具有替换气体压缩制冷的可能，引起了广泛的关注。
所谓磁制冷,即指借助磁制冷材料（磁工质）的磁热效应(MagnetocaIoric Effect，MCE），在等温磁化时向外界排放热量，退磁时从外界吸取热量，从而达到制冷目的。
关键词：磁制冷、无污染、高效节能引言：磁制冷技术是一种极具发展潜力的制冷技术。
其具有节能、环保的特点。
作为磁制冷技术的心脏，磁制冷材料的性能直接影响到磁制冷的功率和效率等性能。
根据蒙特利尔协议，到2000年将逐步禁止氟利昂的生产和使用，使氟利昂压缩制冷面临困境。
磁制冷作为一项高新绿色制冷技术，与传统压缩制冷相比具有如下竞争优势：无环境污染：由于工质本身为固体材料以及可用水来作为传热介质，消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；高效节能：磁制冷的效率可达到卡诺循环的30% ~ 60%，而气体压缩制冷一般仅为 5 % ~ l0%，节能优势显著；易于小型化：由于磁工质是固体，其熵密度远远大于气体的熵密度，因而易于做到小型化；稳定可靠；由于无需压缩机，运动部件少且转速缓慢可大幅降低振动与噪音，可靠性高，寿命长，便于维修。
1976年美国国家航空航天局的G.V.Brown[2]首次将磁制冷技术应用于室温范围，采用金属Gd作为磁制冷工质，在7T的超导磁场和无热负荷的条件下获得了47K的温度差。
磁制冷原理
磁制冷原理磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应（MagnetoCaloric Effect,MCE ）的制冷。
1. 磁热效应由磁性粒子构成的固体磁性物质，在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减小)，对外要放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降(磁熵增大)，又要从外界吸收热量。
这种磁性粒子系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为磁热效应。
图2．1[20]绘出了铁磁性材料在居里温度附近的磁热效应。
图中实线代表不同磁场(H0=0，H1>0)下的总熵，水平箭头代表当磁场由H0变化到H1时的绝热温升ad T ∆，垂直箭头代表等温磁熵变M S ∆，它们分别用来表征材料的MCE 。
点线代表晶格熵和电子熵的和；虚线代表两磁场下的磁熵。
S0，T0分别为H0场下的熵和温度，S1，T1分别代表H1场下的熵和温度。
图2.1 磁热效应示意图FIG.2.1 Figure of magnetocaloric effect常压下，磁体的总熵(,)S T H 是磁场强度H 和绝对温度T 的函数，它是由磁熵(,)M S T H ，晶格熵(,)L S T H 和电子熵(,)E S T H 三部分组成的[20]，即：(,)(,)(,)(,)M L E S T H S T H S T H S T H =++其中磁熵(,)M S T H 是T 和H 的函数，因此当外加磁场发生变化时，只有磁熵随之变化，(,)(,)L E S T H S T H 和是只随温度变化的函数，合起来称为温熵，则上式可写为：T (,)(,)S T M S T H S T H =+（）在绝热过程中，系统总熵变为零，即：T (,)(,)S T M S T H S T H ∆=∆+∆（）=0当绝热磁化时，工质内的分子磁矩将由混乱无序趋于沿外加磁场同向平行排列，此时度量无序度的磁熵减小，即(,)0S T H ∆，所以T S T ∆（）0故工质温度升高；绝热去磁时，情况恰好相反，使工质温度降低，从而可达到制冷目的。
磁制冷原理
磁制冷原理磁制冷是一种利用磁场对材料进行热量调控的技术，它已经被广泛应用于制冷设备、医疗设备、航天器和其他领域。
磁制冷技术的发展为我们提供了一种新的解决方案，可以有效地降低能源消耗并减少对环境的影响。
在本文中，我们将探讨磁制冷的基本原理以及其在实际应用中的潜力。
磁制冷的基本原理是利用磁场对材料的磁熵变化来实现制冷。
当一个磁性材料处于磁场中时，它的磁熵会发生变化，从而产生热量。
通过控制磁场的强度和方向，可以调控材料的磁熵变化，从而实现制冷效果。
这种原理与传统的压缩式制冷相比，具有很多优势，例如无需使用对环境有害的制冷剂，能够实现高效能耗和低温制冷，同时也更加环保。
在磁制冷技术中，最常用的材料是铁磁性材料和磁性固体材料。
铁磁性材料在外加磁场下会发生磁熵变化，从而产生制冷效果。
而磁性固体材料则是利用磁熵效应和自发磁熵效应来实现制冷。
这些材料在磁场中的磁熵变化会引起温度的变化，从而实现制冷效果。
除了材料的选择，磁制冷技术中磁场的控制也是非常重要的。
通常情况下，我们会使用电磁铁或永磁体来产生磁场。
通过调节电流或改变磁体的位置和方向，可以实现对磁场的控制，从而实现对材料的磁熵变化的调节。
磁制冷技术在实际应用中有着广泛的潜力。
例如，它可以被应用于制冷设备中，用于制造更加高效节能的制冷机和空调。
此外，磁制冷技术还可以被应用于医疗设备中，例如用于核磁共振成像设备的制冷系统。
在航天器中，磁制冷技术也可以被用于制造更加高效轻便的制冷系统，从而降低航天器的能源消耗。
总的来说，磁制冷技术是一种具有巨大潜力的制冷技术。
它的原理简单清晰，应用范围广泛，对能源消耗和环境保护都具有重要意义。
随着材料科学和磁场控制技术的不断发展，相信磁制冷技术将会在未来得到更加广泛的应用和发展。
冰磁制冷原理
冰磁制冷原理冰磁制冷的原理主要涉及到三种效应：1. 磁热效应磁热效应是指磁性材料在外加磁场下，其温度会发生变化的现象。
这是由于材料中的磁矩在外加磁场的作用下发生定向排列，从而改变了材料的熵值，最终导致温度发生变化。
这种效应已经被广泛应用于航空航天、电子等领域中。
磁熵效应是指材料在磁相变过程中，伴随着的熵变现象。
磁相变是指材料在温度或压力的变化下，由于其磁性的变化而发生相变的一种现象。
在磁相变过程中，材料的熵值会发生变化，从而对温度和热量的变化产生影响。
利用磁熵效应，可以实现低温制冷和高温供热等应用。
在实际应用中，冰磁制冷的原理主要体现在冰磁材料上。
一般来说，冰磁材料的选择需要考虑其磁热量、热容量、自旋、相互作用和磁畴结构等因素。
冰磁制冷材料通常由过渡金属、稀土元素和合金类组成。
过渡金属和稀土元素具有较强的自旋-轨道耦合效应和磁性，对于材料的磁学行为有着重要的影响。
而合金类材料，由于其相互作用与局部结构的变化，使得材料在变温过程中具有优异的磁热量和热容量表现。
冰磁制冷的原理是利用磁热效应、磁熵效应和磁相变效应，通过材料在外加磁场的作用下发生磁相变现象，吸收或释放热量，实现制冷的目的。
这种新颖的制冷技术是一种高效环保、低噪音、低能耗、小体积、易于控制的制冷方式，并具有广泛的应用前景。
冰磁制冷的应用非常广泛。
冰磁制冷可以用于制冷行业。
当前，我们常见的家用制冷设备，比如冰箱、空调等，大多采用压缩机制冷或吸收式制冷。
这类制冷技术存在着能耗高、噪音大、环境污染和制冷效率不高等问题。
相比之下，冰磁制冷具有环保节能、低噪音、制冷效率高等优点，有望成为制冷领域的主流技术。
冰磁制冷还可广泛应用于生命科学行业。
生命科学研究中，需要对生物样品进行冷冻保存或冷藏，同时又需要避免长时间的高温胁迫。
传统的冷冻保存和冷藏技术，对物质的稳定性和质量保证存在一定困难，同时也需要大量的能源消耗。
而冰磁制冷可有效解决这些问题，提高生物样品的保存质量和稳定性。
超导磁体冷却
超导磁体冷却
超导磁体冷却是一种利用低温技术来降低超导磁体温度的方法。
超导磁体是一种能够产生极强磁场的装置，广泛应用于医学、能源、科学研究等领域。
然而，超导磁体的制造和运行需要极低的温度，通常需要使用液氦来冷却。
这不仅造成了高昂的成本，而且液氦的供应也面临着短缺的问题。
因此，研究开发新的超导磁体冷却技术具有重要意义。
超导磁体的冷却方法主要有两种：被动冷却和主动冷却。
被动冷却是指将超导磁体放置在低温环境中，利用环境温度来降低超导磁体的温度。
这种方法简单易行，但是无法满足高强度磁场的需求。
主动冷却是指通过外部的冷却系统来降低超导磁体的温度。
这种方法可以实现更低的温度，从而产生更强的磁场。
主动冷却技术主要有两种：制冷机冷却和磁制冷。
制冷机冷却是指利用制冷机将热量从超导磁体中移走，从而降低温度。
这种方法可以实现较低的温度，但是成本较高。
磁制冷是指利用磁场来降低超导磁体的温度。
这种方法可以实现更低的温度，而且成本较低。
磁制冷的原理是利用磁场对材料的热容和热导率的影响，从而实现降温。
磁制冷技术的发展为超导磁体的制造和运行提供了新的思路。
超导磁体冷却是超导磁体制造和运行中不可或缺的一环。
随着科技的不断发展，超导磁体冷却技术也在不断创新和完善。
未来，我们有理由相信，超导磁体冷却技术将会更加成熟和先进，为人类的科
学研究和生产生活带来更多的便利和发展。
磁制冷原理
磁制冷原理磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应（MagnetoCaloric Effect,MCE ）的制冷。
1. 磁热效应由磁性粒子构成的固体磁性物质，在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减小)，对外要放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降(磁熵精品文档，超值下载增大)，又要从外界吸收热量。
这种磁性粒子系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为磁热效应。
图2．1[20]绘出了铁磁性材料在居里温度附近的磁热效应。
图中实线代表不同磁场(H0=0，H1>0)下的总熵，水平箭头代表当磁场由H0变化到H1时的绝热温升ad T ∆，垂直箭头代表等温磁熵变M S ∆，它们分别用来表征材料的MCE 。
点线代表晶格熵和电子熵的和；虚线代表两磁场下的磁熵。
S0，T0分别为H0场下的熵和温度，S1，T1分别代表H1场下的熵和温度。
图2.1 磁热效应示意图FIG.2.1 Figure of magnetocaloric effect常压下，磁体的总熵(,)S T H 是磁场强度H 和绝对温度T 的函数，它是由磁熵(,)M S T H ，晶格熵(,)L S T H 和电子熵(,)E S T H 三部分组成的[20]，即：(,)(,)(,)(,)M L E S T H S T H S T H S T H =++其中磁熵(,)M S T H 是T 和H 的函数，因此当外加磁场发生变化时，只有磁熵随之变化，(,)(,)L E S T H S T H 和是只随温度变化的函数，合起来称为温熵，则上式可写为：T (,)(,)S T M S T H S T H =+（）在绝热过程中，系统总熵变为零，即：T (,)(,)S T M S T H S T H ∆=∆+∆（）=0当绝热磁化时，工质内的分子磁矩将由混乱无序趋于沿外加磁场同向平行排列，此时度量无序度的磁熵减小，即(,)0S T H ∆，所以T S T ∆（）0故工质温度升高；绝热去磁时，情况恰好相反，使工质温度降低，从而可达到制冷目的。
mri制冷系统中的冷头的制冷原理
MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）技术是一种在医学诊断中广泛应用的成像技术。
在MRI系统中，制冷系统扮演着至关重要的角色，而冷头又是制冷系统中最核心的部件之一。
本文将围绕MRI制冷系统中的冷头的制冷原理展开讨论。
1. 冷头的作用MRI系统中利用超导磁体产生均匀强大的磁场，以获取人体内部的组织结构图像。
而超导磁体需要在极低的温度下工作，这就需要冷却系统将超导磁体保持在低温状态。
冷头作为冷却系统的核心部件，负责将高温冷却剂（通常是氦气）冷却至超导磁体需要的极低温度。
2. 制冷原理冷头的制冷原理主要是基于热力学中的等温过程和绝热过程。
（1）等温过程冷头利用压缩机将高温高压氦气压缩成液态氦，在制冷过程中，液态氦对外散发热量，并将热量带走，导致液态氦的温度降低。
（2）绝热过程在等温过程结束后，压缩机将继续将液态氦向超导磁体输送。
经过膨胀阀减压后，氦气将发生绝热膨胀，温度进一步下降，最终达到超导磁体所需的低温状态。
3. 冷头的基本结构冷头通常由压缩机、热交换器、膨胀阀和冷却管组成。
压缩机负责将高温高压氦气压缩成液态氦，热交换器用于散发热量，膨胀阀则用于减压绝热膨胀。
4. 冷头的特点冷头在制冷系统中具有以下特点：（1）温度稳定：冷头能够将氦气稳定地冷却至所需的温度。
（2）工作效率高：冷头能够高效地将高温氦气冷却至低温。
（3）结构精密：冷头的结构设计需要考虑氦气的压缩和膨胀过程，因此要求精密度高。
5. 冷头的发展趋势随着MRI技术的不断发展，对冷头的要求也在不断提高。
未来，冷头可能会朝着更加节能高效、结构更加精密、温度控制更加稳定的方向发展。
MRI制冷系统中的冷头是保证超导磁体持续稳定工作的关键部件，它利用等温过程和绝热过程来实现高温氦气的高效降温，具有温度稳定、工作效率高和结构精密等特点。
未来，冷头将会继续优化，以更好地满足MRI技术在医学诊断中的需求。
在MRI技术的发展过程中，超导磁体的稳定运行对冷头的性能提出了更高的要求。
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磁制冷
一、定义：磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应 (MagnetoCaloric Effect) 的制冷方式.
二、原理：磁热效应是指融制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象。
磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料.我们知道，物质由原子构成，原子由电子和原子核构成，电子有自旋磁矩还有轨道磁矩，这使得有些物质的原子或离子带有磁矩。
磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外磁场取向排列，使磁矩有序化，从而减少材料的磁惰，因而会向外放出热量；而一旦去掉外磁场，材料系统的磁有序减小，磁惰增大，因而会从外界吸收热量。
磁惰是温度和磁场的函数，如果把这样两个绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，有意识地控制磁惰，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。
磁制冷原理示意图
三、两种环境下的磁制冷
1、低温磁制冷
在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁离子系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变这种情况下，磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐。
磁制冷卡诺循环如图1和图2所示。
它由四个过程组成：
1－2 为等温磁化（排放热量）：热开关TS1闭合，TS2断开，磁场施加于磁工质上使熵减小，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。
2－3 为绝热退磁（温度降低）：热开关TS1断开，TS2仍然断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在退磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。
3－4 为等温退磁（吸收热量制冷）：TS2闭合，TS1仍然断开，磁场继续减弱，磁工质从热源hs吸热。
4－1 为绝热磁化（温度升高）：断开TS2，TS1仍然断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。
图2 磁制冷卡诺循环
已开发出的磁材料有：钆镓石榴（Gd3Ga5O12）、镝铝石榴石（Dy3Al5O12）、钆镓铝石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1—0.4)。
其制冷温度范围：(4.2—20)K。
正在开发的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。
其制冷温度范围：（15—77）K。
磁制冷装置首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4—7)T的磁场。
用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。
使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。
日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12w。
2、高温磁制冷
温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统熵变大大减小，磁热效应也大大减弱。
所以，进入高温区制冷，低温磁制冷所采用的材料和循环适用。
图2 高温磁制冷循环的
图2示出金属钆（Gd）在(200~300)K条件下的图。
如图若按卡诺循环制冷，则温降很小。
故这时应采用艾里克森循环（Ericsson），如图中12341所示。
它由四个过程组成：1－2为等温磁化；2－3为等磁场过程（温度降低）；3－4为等温退磁（吸热制冷）；4－1为等磁场过程（温度上升）。
图3 布朗的高温磁制冷实验
布朗用7T的磁场和金属钆，按上述循环成功地从室温制取到－30℃的低温。
布朗的实验装置如图3所示。
将金属钆板（磁材料）浸在蓄冷筒的蓄冷液体（水+乙二醇溶液）中。
利用磁场变化配合蓄冷筒上下运动实现循环。
图3中示出了一个周期的变化过程。
经过多次反复，筒体上部达到323K；下部达到243K。
目前，力图使高温磁制冷实用公的研究包括以下主要方面：①寻找合适的磁材料（工质）。
它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场（例如1T）作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变（即磁热效应显著）。
现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物质（其中R代表稀元素），还有复合型磁制冷物质（由居里点不同的几种材料组成）。
②外磁场。
需采用高磁通密度的永磁体。
③研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及到的热交换问题。
四、绿色制冷技术：磁制冷与传统的气体压缩式制冷相比，具有以下明显
的特点：1）单位体积的制冷功率大，易小型化。
2）稳定可靠，便于维修。
3）有节能环保优势。
磁制冷的效率可达到你卡诺循环的30%—60%，而气体压缩式制冷一般仅为5%—10%。
由于磁制冷的制冷工质为固体材料以及在循环回路中可用水作为传热介质，是理想的环保材料。
因此，磁制冷技术被认为是高科技绿色制冷技术。
五、磁制冷面临的问题
根据人们的需要，磁制冷肯定会倾向于高温磁制冷，但是，从商品化开发的角度来看，室温磁制冷技术还存在两方面的问题，即磁制冷材料方面与热交换技术方面。
A、在磁制冷材料方面，室温磁制冷技术要求磁制冷材料具有以下主要特点：
1、居里温度在室温区域；居里点也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。
也可以说是发生二级相变的转变温度。
低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。
当温度高于居里点温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。
这时的磁敏感度约为10的负6次方。
2、饱和磁化强度高；外加磁场H 指对磁制冷材料进行磁化时所施加的外部磁场，对同一种磁制冷材料而言，H 越大，磁热效应就越大(但H 越大，磁制冷成本越高)
3、磁热效应(MCE)要大。
磁热效应MCE 一般用在T c 时一定外场H 下的等温磁熵变m S ∆或绝热磁化时材料自身的温度变化ad T ∆来表征，在相同外场条件下，若m S ∆或ad T ∆越大，则该材料的磁热效应就越大；磁比热C H 指在外磁场H 下磁制冷材料的等压比热，在同样的m S ∆或ad T ∆时，磁比热越大，热交换性能越好，磁制冷性能越好。
B 、在热交换技术方面，磁制冷样机所用的磁制冷材料是一种固态材料，为了完成磁制冷循环过程，必须有一种液体媒质(或气体媒质)同磁制冷材料进行热交换，这是一种固体—液体热交换方式。
在技术上，固体—液体热交换方式比液体—液体或液体—气体热交换方式复杂的多，而且热交换效率也比它们低。
为了提高热交换效率，必须把固态磁制冷材料做成特殊的形状，以便使热交换液与固态磁制冷材料之间有尽可能大的接触面，而且使热交换液能够尽可能自由穿过固态磁制冷材料。
这样，就要求把固态磁制冷材料做成小球粒状，或多孔板状，或管道状，或丝网状，如图7所示。
可见，固体—液体热交换方式不仅使磁制冷技术的机械结构整体性较差，制造工艺复杂，而且使热交换液穿过固态磁制冷材料时出现压差，这是磁制冷技术商品化的第二障碍。
五、发展前景
另外，磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景：在这个领域里要求冷源设备的重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和制冷量范围广。
磁制冷机完全符合这些条件，例如冷冻激光打靶的氘丸，核聚变的氘和氚丸，红外元件的冷却，磁窗系统的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等。