絕熱去磁制冷的物理原理

重慶工學(xué)院絕熱去磁制冷的的物理原理姓名：學(xué)號(hào)：絕熱去磁制冷的的物理原理摘要本本文從熵的觀觀點(diǎn)出發(fā)，利利用熱力學(xué)，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)物理與量量子力學(xué)理論論分別從宏觀觀與微觀的角度對(duì)絕熱熱去磁制冷的的物理原理進(jìn)進(jìn)行了初等分分析.關(guān)鍵詞磁熵熵;順磁質(zhì);;絕熱去磁1.制冷原理在物理學(xué)中“低低溫”是指低低于液態(tài)空氣氣(81K))的溫度.低低溫在現(xiàn)代技技術(shù)與科學(xué)中中有著重要意意義.在技術(shù)術(shù)上空氣在低低溫液化后可可以通過分餾餾而得到氧氣氣、氮?dú)?、氫氫氣等工業(yè)各各方面的應(yīng)用用，在生物科科學(xué)上，低溫溫環(huán)境用來保保存活體.用用低溫可以使使某些材料具具有超導(dǎo)性質(zhì)質(zhì).在廣泛地地用來產(chǎn)生強(qiáng)強(qiáng)磁場(chǎng).對(duì)低低溫條件下物物理現(xiàn)象的研研究在理論上上也具有重要要意義.這方方面著名的例例子是，吳健健雄等人利用用絕熱去磁致致冷的低溫條條件做的sooC。絕熱去磁是產(chǎn)生生1K以下低低溫的一個(gè)有有效方法，即即磁冷卻法。這這是19266年德拜提出來的的。在絕熱過過程中順磁固固體的溫度隨隨磁場(chǎng)的減小小而下降。將順磁體放放在裝有低壓壓氦氣的容器器內(nèi)，通過低低壓氦氣與液液氦的接觸而而保持在1KK左右的低溫溫，加上磁場(chǎng)場(chǎng)（量級(jí)為110^6A//m）使順磁磁體磁化，磁磁化過程時(shí)放放出的熱量由由液氦吸收，從從而保證磁化化過程是等溫溫的。順磁體體磁化后，抽抽出低壓氦氣氣而使順磁體體絕熱，然后后準(zhǔn)靜態(tài)地使使磁場(chǎng)減小到到很小的值（一一般為零）。利用固體中的順順磁離子的絕絕熱去磁效應(yīng)應(yīng)可以產(chǎn)生11K以下至mmK量級(jí)的低低溫。例如從從0.5K出出發(fā)，使硝酸酸鈰鎂絕熱去去磁可降溫到到2mK。當(dāng)當(dāng)溫度降到mmK量級(jí)時(shí)，順順磁離子磁矩矩間的相互作作用便不能忽忽略。磁矩間間的相互作用用相當(dāng)于產(chǎn)生生一個(gè)等效的的磁場(chǎng)（大小小約10^44~10^33A/m），使使磁矩的分布布有序化，這這方法便不再再有效。核磁矩的大小約約為原子磁矩矩的1/20000。因此此核磁矩間的的相互作用較較順磁離子間間的相互作用用要弱的多，利利用核絕熱去去磁可以獲得得更低的溫度度。1.1制冷方法法根據(jù)各種致冷原原理，目前主主要的致冷方方法大致可分分為四類:((1)絕熱膨膨脹法;(22)物相轉(zhuǎn)化化法;(3))絕熱去磁法法;(4)激激光致冷法..絕熱去磁法法是由德拜和和吉奧克等人人于20世紀(jì)紀(jì)20至500年代發(fā)展起起來的致冷方方法.“絕熱熱去磁冷卻”由由等溫磁化和和絕熱去磁兩兩個(gè)過程構(gòu)成成.由于后一一過程實(shí)現(xiàn)冷冷卻而被如此此命名.根據(jù)據(jù)磁體的類別別，絕熱去磁磁法又可分為為順磁性鹽絕絕熱去磁法與與絕熱去磁法法.利用前者者一般可降溫溫至mK量級(jí)級(jí)，而利用后后者通?？色@獲得}K量級(jí)級(jí)低溫，兩者者致冷原理相相似.本文文以具有自旋旋系統(tǒng)的理想想順磁性鹽類類為研究對(duì)象象，從熵的觀觀點(diǎn)出發(fā)，利利用熱力學(xué)，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)物理與量量子力學(xué)理論論，分別從宏宏觀與微觀的的角度對(duì)磁制制冷的物理原原理進(jìn)行了初初等分析，并并簡(jiǎn)單介紹了了順磁性鹽絕絕熱去磁致冷冷法在卡諾循循環(huán)中的物理理原理，可供供大學(xué)物理課課教學(xué)參考..1.2熵的觀點(diǎn)點(diǎn)熵是系統(tǒng)無序序度的量度..當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷歷的是絕熱過過程時(shí)，系統(tǒng)統(tǒng)的熵變?yōu)榱懔?容易理解解，對(duì)磁介質(zhì)質(zhì)來說，影響響其熵變的主主要因素有兩兩個(gè):一個(gè)是是磁介質(zhì)本身身的溫度T，二二是施于磁介介質(zhì)的外磁場(chǎng)場(chǎng)Bo.因此此，我們可以以將磁介質(zhì)的的熵看成由兩兩個(gè)部分組成成:一部分受受溫度的影響響，稱為熱熵熵，用Sr表表示;另一部部分受磁場(chǎng)BB的影響，稱稱為磁熵，用用SB表示..于是系統(tǒng)的的熵為S=SSB+ST..當(dāng)介質(zhì)絕熱熱磁化，磁場(chǎng)場(chǎng)由零增到某某一數(shù)值時(shí)，介介質(zhì)內(nèi)的分子子磁矩的排列列將由混亂無無序到趨于與與外磁場(chǎng)B。同同向平行排列列，即系統(tǒng)的的磁化熵(無無序)減少了了，△SH<0.因因?yàn)榻^熱過程程系統(tǒng)的熵變變?yōu)榱悖础鱏S=△SSB十△STT=0‘故必有△ST>>0，這表明明磁介質(zhì)分子子的熱運(yùn)動(dòng)劇劇烈程度增加加，介質(zhì)的溫溫度升高.可可見，絕熱磁磁化會(huì)使磁介介質(zhì)的溫度增增加.當(dāng)絕絕熱去磁時(shí)，介介質(zhì)內(nèi)的分子子磁矩的排列列又恢復(fù)到磁磁化前的混亂亂狀態(tài)，即無無序度增加，磁磁化熵變大△△SH>0..故△ST<<0，即受熱熱運(yùn)動(dòng)影響的的無序度減少少，介質(zhì)的溫溫度降低.可可見，絕熱去去磁可使介質(zhì)質(zhì)的溫度下降降.根據(jù)這樣樣的原理來獲獲得低溫的方方法稱為絕熱熱去磁致冷法法，通常又簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱磁致冷..圖1為工程程技術(shù)中的一一種磁致冷實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置的示示意圖.磁材材料塊A,BB,C,D等等間距地放在在一個(gè)每轉(zhuǎn)990。停留一一段時(shí)間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤上，當(dāng)當(dāng)材料塊A進(jìn)進(jìn)人磁化區(qū)后后，迅速磁化化(可視為絕絕熱磁化)，溫溫度升高.但但因與大氣相相通，在此后后一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)放熱后恢復(fù)復(fù)原來溫度，隨隨即進(jìn)人負(fù)載載區(qū)，因迅速速脫離磁化場(chǎng)場(chǎng)而去磁(可可視為絕熱去去磁)，因而而溫度降低..在一段時(shí)間間內(nèi)由負(fù)載區(qū)區(qū)吸熱.這樣樣，四塊材料料，依次周而而復(fù)始，不斷斷重復(fù)上述過過程，就可以以把與環(huán)境絕絕熱的負(fù)載區(qū)區(qū)的溫度降下下來，實(shí)現(xiàn)磁磁致冷.用磁磁致冷原理制制成的冰箱，不不會(huì)因使用制制冷劑氟利昂昂而污染環(huán)境境，很有發(fā)展展前途.2.卡諾循環(huán)如圖4.卡諾循循環(huán)是用絕熱熱去磁和絕熱熱磁化兩個(gè)過過程來接兩個(gè)個(gè)等溫過程的的.D->AA絕熱磁化，系系統(tǒng)的熵不變變.此過程因因?yàn)椤鱏B<<0，所以△△ST>0.系統(tǒng)溫溫度由T，升升至T2.A->B繼繼續(xù)磁化并等等溫放熱，系系統(tǒng)的熵下降降.B->CC是絕熱去磁磁過程，系統(tǒng)統(tǒng)的熵不變，由由于工質(zhì)從磁磁有序變?yōu)榇糯艧o序，所以以△SB>00,△STT<0.系統(tǒng)統(tǒng)溫度由T22孔降到T11，C->DD繼續(xù)退磁直直至撤出外磁磁場(chǎng)，系統(tǒng)吸吸熱保持低溫溫，工質(zhì)回到到初態(tài).致冷冷系數(shù)為。ε＝T2從本文的分析結(jié)結(jié)果可以看出出，理想的順順磁工質(zhì)所應(yīng)應(yīng)具備的條件件是:熱熵((晶格熵>ST應(yīng)盡量量小;磁性離離子密度要高高，且J值要要大以獲得大大的熵變;熱熱傳導(dǎo)