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.。
