绝热去磁制冷的物理原理
磁制冷[利用磁热效应的固态制冷方式]
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磁制冷[利用磁热效应的固态制冷方式]发展沿革近年来，人类社会的可持续发展对传统蒸汽压缩式制冷技术在环保、能效等方面提出了更高要求，发展环境友好、节能高效的新型制冷技术成为有效的解决手段之一。
磁热效应（magnetocaloric effect，MCE）是一种变化磁场下磁性材料磁矩有序度发生变化而导致的热现象。
在磁性材料被磁化时，磁矩有序度增加，磁熵减小，温度上升，向外界放出热量；退磁时，磁性材料磁矩有序度减少，磁熵增加，温度下降，自外界吸收热量。
1881 年， Warburg在金属铁中首次发现了这种现象，随后Giauque进行了绝热去磁的应用研究，并于1927年获得小于1 K的低温。
1976 年室温磁制冷技术出现了突破性进展，美国NASA的Brown采用稀土金属钆（Gd）搭建了第一台室温磁制冷样机，并引入回热概念，在7T超导磁场下获得47K无负荷制冷温跨。
基于回热器式室温系统的实践经验，1982年Barclay与Steyert 进一步提出了主动磁回热器原理（activemagnetic regenerator，AMR），并构建出主动磁制冷循环，为目前绝大多数室温磁制冷机采用。
当前室温磁制冷技术已在磁热材料研发、流程设计回热器制备工艺、磁路设计等方面获得了不小的进步。
1997年Gschneidner 和Gschneidner发现了GdSiGe基材料的巨磁热效应，随后胡凤霞等发现了比 Gd 绝热温变更大且价格更便宜的LaFeSi基材料；当单层 AMR 技术满足不了制冷性能的需求时，通过元素调节和掺杂可以调节材料的居里温度点，为多层AMR 的应用奠定了材料学基础。
这些材料方面的进展带动了近期室温磁制冷的研究热潮，据2015 年统计数据，自1976年以来已公布的室温整机系统达到48台，其中近五年的样机数量占据总数的43%，这也标志着室温磁制冷技术进入了快速发展的阶段。
近年来，在磁制冷循环、数值模拟与样机等方面，室温磁制冷技术已出现了不错的进展: 许多学者通过热力学分析对磁制冷循环进行理论研究，提出了复合式磁制冷循环和耦合回热式制冷的主动磁制冷循环等概念；由于磁制冷系统的数值模型涉及磁、热、流体等多个物理场的耦合，数值仿真模型比较复杂，也已逐步构建出不同维度的仿真模型；随着对运行机理理解的深入，室温磁制冷样机的形式也在不断演化，例如旋转回热器/磁体系统等。
高效环保的磁制冷技术
高效环保的磁制冷技术－《节能与环保》论文教师:刘艳玲04热能（3）潘智豪0432322高效环保的磁制冷技术04热能（3）潘智豪0432322前言：制冷技术的基本原理是在外界提供能源的条件下，制冷机从低温区吸取热量并向高温区释放热量。
目前流行的制冷设备大多采用气体（如氟里昂）做工质，利用压缩—循环方法，借助正焦耳—汤姆逊效应（气体节流膨胀时温度降低）来获得低温。
但是，用氟制冷剂不仅会造成大气污染，引起“室温效应”，而且会破坏用以过滤紫外线，保护地面生物的高空臭氧层。
出于对环境保护的考虑，联合国环境规划署已组织80个国家签署了一项协议，规定2000年为使用氟制冷剂的最终年限。
但是，用这种方法获取低温，实际上有一个最低的年度，因为气体的蒸发速度随着温度的下降而变慢，最后将慢到只能带走漏进仪器内部的热量，这时便不能再继续进行冷却了。
而采用磁性材料做工质，通过绝热退方法获取低温的磁制冷设备，可以不受这一限制，获得足够的低温。
室温磁制冷是一种利用铁磁性制冷工质进出磁场引起温度变化而在室温范围进行制冷的新方法。
与传统的蒸汽压缩式制冷相比，它没有压缩机，不用氟里昂，循环效率高，低噪音，对大气没有污染，环境保护和节能优势十分明显。
美国在2001年12月7日首先发布了他们的永磁体室温磁制冷冰箱样机研制成功的消息，这是人类经过几十年的努力而将磁制冷扩展到室温温区。
与此同时，南京大学也在2001年12月研制出室温磁制冷实验样机。
该样机使用的是平均1.5特斯拉的磁场，往复式气驱动，主动式磁蓄冷循环，以钆为磁制冷工质，获得了可以跟钆相比的结果，预计使用新近研究出的铁锰磷砷合金材料获得更好的效果！钆( Gd ) ：1880年，瑞士的马里格纳克（G.de Marignac）将"钐"分离成两个元素，其中一个由索里特证实是钐元素，另一个元素得到波依斯包德莱的研究确认，1886年，马里格纳克为了纪念钇元素的发现者研究稀土的先驱荷兰化学家加多林（Gado Linium），将这个新元素命名为钆。
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。
磁制冷研究
磁制冷研究这是利用磁热效应的制冷方式。
早在 1907 年郎杰斐（ngevin）就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。
从机现上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；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。
这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。
1．基本概念螺旋线圈通电时，产生感应磁场 B0 。
在线圈中插入磁性物体（比如铁棒），物体磁化后产生附加磁场 B ′。
于是，总的磁感应强度为B = B0 + B′ (3-1)不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质称作顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质称作抗磁体（如铋、氢等）。
磁感应强度单位是特斯拉(Tesla)，用符号 T 表示。
设物体的磁矩为 M。
物体在磁场 H 中磁矩增加 dM 时，磁场对物体作功为μ0 HdM 。
该过程中物体吸热 d Q ，内能增加 dU。
则由热力学第一定律有dQ = dU - μ0 HdM式中μ0 ――真空磁导率，N/A2；H ――磁场强度，A/m；M ――磁矩，Am2；将式与熟知的气体热力学第一定律表达式dQ = dU + pdV 相类比。
磁系统中的μ0 H相当于气体系统中的压力 p ；M 则相当于体积V 。
并类似地引出磁熵S 的概念。
用T-S图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T 、磁熵 S 与磁场 B （常用磁感应强度代替磁场强度 H ）三者之间的关系。
2．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，故磁系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变。
磁制冷卡诺循环如图所示。
它由四个过程组成： 1-2 为等温磁化（排放热量）； 2-3 为绝热退磁（温度降低）； 3-4 为等温退磁（吸收热量制冷）； 4-1 为绝热磁化（温度升高）。
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
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7
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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
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
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)。
绝热去磁制冷的物理原理
重庆工学院绝热去磁制冷的物理原理姓名：学号：绝热去磁制冷的物理原理摘要本文从熵的观点出发，利用热力学，统计物理与量子力学理论分别从宏观与微观的角度对绝热去磁制冷的物理原理进行了初等分析.关键词磁熵;顺磁质;绝热去磁1.制冷原理在物理学中“低温”是指低于液态空气(81K)的温度.低温在现代技术与科学中有着重要意义.在技术上空气在低温液化后可以通过分馏而得到氧气、氮气、氢气等工业各方面的应用，在生物科学上，低温环境用来保存活体.用低温可以使某些材料具有超导性质.在广泛地用来产生强磁场.对低温条件下物理现象的研究在理论上也具有重要意义.这方面著名的例子是，吴健雄等人利用绝热去磁致冷的低温条件做的so C。
绝热去磁是产生1K以下低温的一个有效方法，即磁冷却法。
这是1926年德拜提出来的。
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。
因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相互作用要弱的多，利用核绝热去磁可以获得更低的温度。
1.1制冷方法根据各种致冷原理，目前主要的致冷方法大致可分为四类:(1)绝热膨胀法;(2)物相转化法;(3)绝热去磁法;(4)激光致冷法.绝热去磁法是由德拜和吉奥克等人于20世纪20至50年代发展起来的致冷方法.“绝热去磁冷却”由等温磁化和绝热去磁两个过程构成.由于后一过程实现冷却而被如此命名.根据磁体的类别，绝热去磁法又可分为顺磁性盐绝热去磁法与绝热去磁法.利用前者一般可降温至mK量级，而利用后者通常可获得}K 量级低温，两者致冷原理相似. 本文以具有自旋系统的理想顺磁性盐类为研究对象，从熵的观点出发，利用热力学，统计物理与量子力学理论，分别从宏观与微观的角度对磁制冷的物理原理进行了初等分析，并简单介绍了顺磁性盐绝热去磁致冷法在卡诺循环中的物理原理，可供大学物理课教学参考.1.2熵的观点熵是系统无序度的量度.当系统经历的是绝热过程时，系统的熵变为零.容易理解，对磁介质来说，影响其熵变的主要因素有两个:一个是磁介质本身的温度T，二是施于磁介质的外磁场Bo.因此，我们可以将磁介质的熵看成由两个部分组成:一部分受温度的影响，称为热熵，用Sr表示;另一部分受磁场B的影响，称为磁熵，用SB表示.于是系统的熵为S=SB+ST.当介质绝热磁化，磁场由零增到某一数值时，介质内的分子磁矩的排列将由混乱无序到趋于与外磁场B。
磁制冷——节能环保的绿色制冷技术
可再生能源
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研究与试验
磁 制 冷 —节 —— 能 环 保 的 绿 色 制 冷 技 术
周水洪
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研究与试验
常压下， 磁体的熵 ! （"#$） 是磁场强度 $ 和绝 对 温 度 " 的 函 数 % 它 由 磁 熵 !& （"%$） 、 晶 格 熵 !’
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在绝热过程中， 系统熵变为零， 即：
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磁制冷机的研究进展 根据温度的不同 % 可将制冷温区划分为极低
（".*） !! /!!（ ,!!（ /0 & ".* ） " "）
当绝热磁化时， 工质内的分子磁矩排列将由 混乱无序趋于与外加磁场同向平行， 根据系统论 观点， 度量无序度的磁化熵减少了， 即 !!&10 ， 所 故工质温度升高； 当绝热去磁时， 情况 以 !!"23 ， 刚好相反， 使工质温度降低， 从而达到制冷目的。 这种制冷方法就是绝热去磁制冷法， 也就是我们 所说的磁制冷。
!
磁热效应 （"#$） 的表征参数及测试方法 磁制冷材料的性能主要决定于以下参数： 磁
有 序 化 温 度 —磁 —— 相 变 点 （如 居 里 点 "4、 奈尔点 、一定的外加磁场变化下磁有序化温度附 "5 等） 近的磁热效应。磁有序化温度是指从高温冷却 顺 磁6亚 铁 磁 等 类 型 的 时， 发生诸如顺磁 6 铁 磁 、 磁有序化 （相变） 的转变温度。磁热效应 （&4- ） 一 般用等温磁熵变 !!& 或绝热温变 !"78 来表征。 一般对于同一磁致冷材料而言 9 外加磁场强度变 化越大 % 磁热效应就越大； 不同磁致冷材料在相同 的外加磁场强度变化下 % 在各自居里点处的 : !!&: 或 !"78 越大.表明该磁制冷材料的 &4- 就越大。 根据热力学推导， 可得
磁致冷
磁致冷，是指以磁性材料为公质的一种全新的制冷技术，其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（Magnetocaloric Effect,MCE）,即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸取热量，达到制冷的目的。
磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。
其制冷方式是利用自旋系统磁熵变的制冷，磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到制冷的目的。
磁制冷材料使磁致冷机的核心部分，即一般所称的制冷剂或制冷工质。
与传统制冷相比，磁致冷单位制冷效率高、能耗小、运动部件少、噪音小、体积小、工作频率低、可靠性高以及无环境污染，因而被誉为绿色制冷技术。
磁致冷的研究可追溯到19世纪末，1881年Warburg首先观察到金属铁再外加磁场中的热效应，1895年Langeviz发现了磁热效应。
1926年Debye、1927年Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后，磁致冷技术得以逐步发展。
20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得毫升量级的低温，20世纪80年代采用Gd3Ga5O12（GGG）型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5~15K的磁致冷，20世纪90年代采用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于H 离子与Gd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时其磁熵变高于GGG，从而成为15~30K温区最佳的磁致冷工质。
1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质，在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验，由于采用超导磁场，无法进行商品化，20世纪80年代以来人们的磁致冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd的1倍，高温磁致冷正一步步走向实用化，据报道1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工质的磁致冷机。
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。
磁冰箱的原理
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，1933年W.F.吉奥克完成了顺磁盐绝热去磁实验，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。
ADR退磁制冷介绍
磁制冷技术的发展
1.磁制冷材料的磁热效应，热别是巨磁热效应 的机理需深入研究，一边通过改进工艺与材 料的组成制备出性能更优的突破和创新 2.磁场设计方面，用高性能NdFeB永磁体设计 出磁场强度更高的磁场源 3.设计出最佳的热交换系统，提高热交换效率 4.机械结构和控制技术的改进，使机组小型化， 智能化
布雷顿循环:由两个等磁化场过程与两个绝热过程组成
磁制冷技术的原理
循环名称 卡诺循环 优点 缺点 适用场合 顺磁工质，结构简 单，制冷温度在 20K以下场合 制冷温区在20K以 上 制冷温区在20K以 上场合，20K一下 场合也有使用的动 向 无蓄冷级、结构简 温度跨度小、需较 单、可靠性高、效 高外磁场、存在晶 率高 格熵限制、外磁场 操作比较复杂 需蓄冷器、可得到 中等温跨 需蓄冷器、可得到 大温跨、外磁场操 作简单、可使用各 种外场 外磁场操作复杂 蓄冷器传热性能要 求很高、效率低、 需外部热交换器、 与外部热交换器接 触要求高、操作复 杂 蓄冷器中传热性能 要求高、需外部换 热器
斯特林循环 埃里克森循环
布雷顿循环
可得到最大温跨、 可使用不同大小的 场强
制冷温区在20K以 上
磁制冷技术的原理
磁制冷工质选择依据： 大的总角动量量子数J和郎德因字数g，以得到大 的磁熵变； 适合的德拜温度 居里点在工作温度附近 磁滞损失小 低比热，高热导率 高电阻，见效涡流效应 良好的加工成型性
谢谢
磁制冷的介绍
磁制冷的概述
磁制冷技术的来源 磁制冷技术的特点
磁制冷技术的原理
磁制冷技术的发展
磁制冷技术的来源
• 1881年，E.Warburg在铁中发现磁热效应 • 1907年，ngevin在恒磁体绝热去磁中发现其 温度降低 • 1926年Debye和Giayque预言可以使用磁热效应 制冷 • 1933年Giauque和MacDougall用 Gd2(SO4)3·8H2O作为介质进行了首次绝热退磁实 验 • 1949年Giaque获诺奖后该技术在超低温领域中 得到了广泛应用
绝热去磁制冷效应的偏导关系
绝热去磁制冷效应的偏导关系
绝热去磁制冷效应是一种技术，可以在没有外部能源的情况下，
通过改变电磁场的方向来改变物体的温度。
其核心原理是通过改变电
磁场的方向，改变电磁能量的密度和流动来实现对传热物质的控制。
其物理原理基于微观空间的电磁学规律，它的实际效应可以用偏导关
系表示如下：
ΔT=K*(∇·B)
其中，ΔT表示温度变化量，K 表示温度变化系数，∇·B 表示电
磁场能量流动大小。
由此可见，绝热去磁制冷效应的效果依赖于电磁
场能量的密度和流动。
当电磁场能量从容器内释放时，容器内热量减少，因此温度也减少；反之，当电磁场能量从容器外流入时，容器内
热量增加，因此温度也增加。
绝热去磁制冷效应的偏导关系可以用来控制传热物质的温度，而
不需要使用外部能源，可以被用来实现低温冷却，从而帮助解决物理，化学，生物和工程中所面临的低温技术问题。
熵与绝热去磁制冷的物理原理
熵与绝热去磁制冷的物理原理
刘爱红
【期刊名称】《物理与工程》
【年(卷),期】2001(011)002
【摘要】本文从熵的观点出发,利用热力学,统计物理与量子力学理论分别从宏观与微观的角度对磁制冷的物理原理进行了初等分析.
【总页数】3页(P35-37)
【作者】刘爱红
【作者单位】北方交通大学物理系,北京,100044
【正文语种】中文
【中图分类】O4
【相关文献】
1.绝热去磁制冷技术应用研究 [J], 寿卫东;陈斐然
2.空气绝热（等熵）膨胀制冷的轧辊冷处理 [J], 黄华勇
3.绝热去磁演示实验装置 [J], 范淑华;李素琴
4.极低温绝热去磁制冷系统中的热开关 [J], 王昌; 王亚男; 刘远威; 戴巍; 沈俊
5.用于亚开温区的极低温绝热去磁制冷机 [J], 王昌;李珂;沈俊;戴巍;王亚男;罗二仓;沈保根;周远
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顺磁盐绝热去磁制冷物理初中年级知识
顺磁盐绝热去磁制冷物理初中年级知识
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顺磁盐绝热去磁制冷（coolongbyadiabaticdemagnetizationofparamagneticsa lts）
顺磁盐绝热去磁制冷(coolongbyadiabaticdemagnetizationofparamagneticsal ts)
在顺磁盐中，磁性离子磁矩间的相互作用很弱，这种弱相互作用等效于磁性离子受到一个弱内场Bint的作用，能级间隔为E0=gBBint，在起始温度Ti1K时，`DeltaE_0ltltkT_i`，也即磁性离子在2J 1个能级上的概率相等，所以磁矩的取向是混乱的，在施加外场B后，使能级间隔EB=gB(B2
Bint2)1/2，可使$DeltaE_bb{B}gtgtkT_i$，使各能级的占据概率不等，相当于外场B使磁性离子的磁矩取向有序，系统的熵减小，磁化热Q=Ti(Sx-Sy)通过等温磁化而排出，这时使该顺磁盐在绝热的条件下去除外磁场，能级间隔又回到原来的E0，然而其熵没有变化，磁矩仍为有序排列，温度将
从Ti降到低得多的Tf，产生了制冷的效果。
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重庆工学院
绝热去磁制冷的物理原理
姓名：孙连瑞
学号：10709030520
2008年12月
绝热去磁制冷的物理原理
摘要本文从熵的观点出发，利用热力学，统计物理与量子力学理论分别从宏观与微观的角度对绝热去磁制冷的物理原理进行了初等分析.
关键词磁熵;顺磁质;绝热去磁
1.制冷原理
在物理学中“低温”是指低于液态空气(81K)的温度.低温在现代技术与科学中有着重要意义.在技术上空气在低温液化后可以通过分馏而得到氧气、氮气、氢气等工业各方面的应用，在生物科学上，低温环境用来保存活体.用低温可以使某些材料具有超导性质.在广泛地用来产生强磁场.对低温条件下物理现象的研究在理论上也具有重要意义.这方面著名的例子是，吴健雄等人利用绝热去磁致冷的低温条件做的so C。
绝热去磁是产生1K以下低温的一个有效方法，即磁冷却法。
这是1926年德拜提出来的。
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。
因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相互作用要弱的多，利用核绝热去磁可以获得更低的温度。
1.1制冷方法
根据各种致冷原理，目前主要的致冷方法大致可分为四类:(1)绝热膨胀法;(2)物相转化法;(3)绝热去磁法;(4)激光致冷法.绝热去磁法是由德拜和吉奥克等人于20世纪20至50年代发展起来的致冷方法.“绝热去磁冷却”由等温磁化和绝热去磁两个过程构成.由于后一过程实现冷却而被如此命名.根据磁体的类别，绝热去磁法又可分为顺磁性盐绝热去磁法与绝热去磁法.利用前者一般可降温至mK量级，而利用后者通常可获得}K 量级低温，两者致冷原理相似. 本文以具有自旋系统的理想顺磁性盐类为研究对象，从熵的观点出发，利用热力学，统计物理与量子力学理论，分别从宏观与微观的角度对磁制冷的物理原理进行了初等分析，并简单介绍了顺磁性盐绝热去磁致冷法在卡诺循环中的物理原理，可供大学物理课教学参考.
1.2熵的观点
熵是系统无序度的量度.当系统经历的是绝热过程时，系统的熵变为零.容易理解，对磁介质来说，影响其熵变的主要因素有两个:一个是磁介质本身的温度T，二是施于磁介质的外磁场Bo.因此，我们可以将磁介质的熵看成由两个部分组成:一部分受温度的影响，称为热熵，用Sr表示;另一部分受磁场B的影响，称为磁熵，用SB表示.于是系统的熵为S=SB+ST.当介质绝热磁化，磁场由零增到某一数值时，介质内的分子磁矩的排列将由混乱无序到趋于与外磁场B。
同向平行排列，即系统的磁化熵(无序)减少了，△SH <
0.因为绝热过程系统的熵变为零，即
△S = △SB十△ST=0‘
故必有△ST>0，这表明磁介质分子的热运动剧烈程度增加，介质的温度升高.可见，绝热磁化会使磁介质的温度增加. 当绝热去磁时，介质内的分子磁矩的排列又恢复到磁化前的混乱状态，即无序度增加，磁化熵变大△SH>0.故△ST<0，即受热运动影响的无序度减少，介质的温度降低.可见，绝热去磁可使介质的温度下降.根据这样的原理来获得低温的方法称为绝热去磁致冷法，通常又简称磁致冷.图1为工程技术中的一种磁致冷实验装置的示意图.磁材料块A,B,C,D等间距地放在一个每转90。
停留一段时间的转动轮盘上，当材料块A进人磁化区后，迅速磁化(可视为绝热磁化)，温度升高.但因与大气相通，在此后一段时间内放热后恢复原来温度，随即进人负载区，因迅速脱离磁化场而去磁(可视为绝热去磁)，因而温度降低.在一段时间内由负载区吸热.这样，四块材料，依次周而复始，不断重复上述过程，就可以把与环境绝热的负载区的温度降下来，实现磁致冷.用磁致冷原理制成的冰箱，不会因使用制冷剂氟利昂而污染环境，很有发展前途.
2.卡诺循环
如图4.卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化两个过程来接两个等温过程的.D->A绝热磁化，系统的熵不变.此过程因为△SB<0，所以△ST > 0.系统温度由T，升至T2. A->B 继续磁化并等温放热，系统的熵下降.B->C是绝热去磁过程，系统的熵不变，由于工质从磁有序变为磁无序，所以△SB>0, △ST<0.系统温度由T2孔降到T1，C->D继续退磁
⁄. 直至撤出外磁场，系统吸热保持低温，工质回到初态.致冷系数为。
ε＝T2T1−T2
从本文的分析结果可以看出，理想的顺磁工质所应具备的条件是:热熵(晶格熵> ST 应尽量小;磁性离子密度要高，且J值要大以获得大的熵变;热传导率要高，它是决定致冷机运行速度致冷能力的一个重要因素.
参考文献
【1】陈国邦.最新低温制冷技术.机械工业出版社，1994. 1 ～19.
【2】黄莹，王云英.电磁学原理在科学技术中的应用.兵器工业出版社，1998. 286～287.。