绝热去磁制冷的物理原理

重庆工学院绝热去磁制冷的的物理原理姓名：学号：绝热去磁制冷的的物理原理摘要本本文从熵的观观点出发，利利用热力学，统统计物理与量量子力学理论论分别从宏观观与微观的角度对绝热热去磁制冷的的物理原理进进行了初等分分析.关键词磁熵熵;顺磁质;;绝热去磁1.制冷原理在物理学中“低低温”是指低低于液态空气气(81K))的温度.低低温在现代技技术与科学中中有着重要意意义.在技术术上空气在低低温液化后可可以通过分馏馏而得到氧气气、氮气、氢氢气等工业各各方面的应用用，在生物科科学上，低温温环境用来保保存活体.用用低温可以使使某些材料具具有超导性质质.在广泛地地用来产生强强磁场.对低低温条件下物物理现象的研研究在理论上上也具有重要要意义.这方方面著名的例例子是，吴健健雄等人利用用绝热去磁致致冷的低温条条件做的sooC。绝热去磁是产生生1K以下低低温的一个有有效方法，即即磁冷却法。这这是19266年德拜提出来的的。在绝热过过程中顺磁固固体的温度随随磁场的减小小而下降。将顺磁体放放在装有低压压氦气的容器器内，通过低低压氦气与液液氦的接触而而保持在1KK左右的低温温，加上磁场场（量级为110^6A//m）使顺磁磁体磁化，磁磁化过程时放放出的热量由由液氦吸收，从从而保证磁化化过程是等温温的。顺磁体体磁化后，抽抽出低压氦气气而使顺磁体体绝热，然后后准静态地使使磁场减小到到很小的值（一一般为零）。利用固体中的顺顺磁离子的绝绝热去磁效应应可以产生11K以下至mmK量级的低低温。例如从从0.5K出出发，使硝酸酸铈镁绝热去去磁可降温到到2mK。当当温度降到mmK量级时，顺顺磁离子磁矩矩间的相互作作用便不能忽忽略。磁矩间间的相互作用用相当于产生生一个等效的的磁场（大小小约10^44~10^33A/m），使使磁矩的分布布有序化，这这方法便不再再有效。核磁矩的大小约约为原子磁矩矩的1/20000。因此此核磁矩间的的相互作用较较顺磁离子间间的相互作用用要弱的多，利利用核绝热去去磁可以获得得更低的温度度。1.1制冷方法法根据各种致冷原原理，目前主主要的致冷方方法大致可分分为四类:((1)绝热膨膨胀法;(22)物相转化化法;(3))绝热去磁法法;(4)激激光致冷法..绝热去磁法法是由德拜和和吉奥克等人人于20世纪纪20至500年代发展起起来的致冷方方法.“绝热热去磁冷却”由由等温磁化和和绝热去磁两两个过程构成成.由于后一一过程实现冷冷却而被如此此命名.根据据磁体的类别别，绝热去磁磁法又可分为为顺磁性盐绝绝热去磁法与与绝热去磁法法.利用前者者一般可降温温至mK量级级，而利用后后者通常可获获得}K量级级低温，两者者致冷原理相相似.本文文以具有自旋旋系统的理想想顺磁性盐类类为研究对象象，从熵的观观点出发，利利用热力学，统统计物理与量量子力学理论论，分别从宏宏观与微观的的角度对磁制制冷的物理原原理进行了初初等分析，并并简单介绍了了顺磁性盐绝绝热去磁致冷冷法在卡诺循循环中的物理理原理，可供供大学物理课课教学参考..1.2熵的观点点熵是系统无序序度的量度..当系统经历历的是绝热过过程时，系统统的熵变为零零.容易理解解，对磁介质质来说，影响响其熵变的主主要因素有两两个:一个是是磁介质本身身的温度T，二二是施于磁介介质的外磁场场Bo.因此此，我们可以以将磁介质的的熵看成由两两个部分组成成:一部分受受温度的影响响，称为热熵熵，用Sr表表示;另一部部分受磁场BB的影响，称称为磁熵，用用SB表示..于是系统的的熵为S=SSB+ST..当介质绝热热磁化，磁场场由零增到某某一数值时，介介质内的分子子磁矩的排列列将由混乱无无序到趋于与与外磁场B。同同向平行排列列，即系统的的磁化熵(无无序)减少了了，△SH<0.因因为绝热过程程系统的熵变变为零，即△SS=△SSB十△STT=0‘故必有△ST>>0，这表明明磁介质分子子的热运动剧剧烈程度增加加，介质的温温度升高.可可见，绝热磁磁化会使磁介介质的温度增增加.当绝绝热去磁时，介介质内的分子子磁矩的排列列又恢复到磁磁化前的混乱乱状态，即无无序度增加，磁磁化熵变大△△SH>0..故△ST<<0，即受热热运动影响的的无序度减少少，介质的温温度降低.可可见，绝热去去磁可使介质质的温度下降降.根据这样样的原理来获获得低温的方方法称为绝热热去磁致冷法法，通常又简简称磁致冷..图1为工程程技术中的一一种磁致冷实实验装置的示示意图.磁材材料块A,BB,C,D等等间距地放在在一个每转990。停留一一段时间的转转动轮盘上，当当材料块A进进人磁化区后后，迅速磁化化(可视为绝绝热磁化)，温温度升高.但但因与大气相相通，在此后后一段时间内内放热后恢复复原来温度，随随即进人负载载区，因迅速速脱离磁化场场而去磁(可可视为绝热去去磁)，因而而温度降低..在一段时间间内由负载区区吸热.这样样，四块材料料，依次周而而复始，不断断重复上述过过程，就可以以把与环境绝绝热的负载区区的温度降下下来，实现磁磁致冷.用磁磁致冷原理制制成的冰箱，不不会因使用制制冷剂氟利昂昂而污染环境境，很有发展展前途.2.卡诺循环如图4.卡诺循循环是用绝热热去磁和绝热热磁化两个过过程来接两个个等温过程的的.D->AA绝热磁化，系系统的熵不变变.此过程因因为△SB<<0，所以△△ST>0.系统温温度由T，升升至T2.A->B继继续磁化并等等温放热，系系统的熵下降降.B->CC是绝热去磁磁过程，系统统的熵不变，由由于工质从磁磁有序变为磁磁无序，所以以△SB>00,△STT<0.系统统温度由T22孔降到T11，C->DD继续退磁直直至撤出外磁磁场，系统吸吸热保持低温温，工质回到到初态.致冷冷系数为。ε＝T2从本文的分析结结果可以看出出，理想的顺顺磁工质所应应具备的条件件是:热熵((晶格熵>ST应尽量量小;磁性离离子密度要高高，且J值要要大以获得大大的熵变;热热传导