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北京科學中心發布時間：12-1521:58本文參加百家號#科學了不起#系列征文賽。如今，各種新奇的制冷方法走入到人們的生活中，風冷冰箱、半導體冰箱已不是新鮮事物。不過，如果我告訴你磁鐵也能用來制冷，你會相信嗎？今天，就讓小編帶大家走進神奇的微觀世界，來看看磁鐵制冷的奧秘吧~磁熱效應與順磁物質磁制冷是利用磁性物質的磁熱效應來完成的。所謂磁熱效應指的是物體的溫度隨它自身磁性變化而變化的效應。有一類物質叫順磁物質，在外界磁場作用下，它們自身也會具備一定的磁性，使其內部也產生一定強度的磁場，并且這個新產生的磁場與外磁場方向一致，我們把這個過程稱為磁化。一旦外界磁場消失，其內部的磁性也會隨之消失，我們把這個過程稱為去磁。磁鐵吸引順磁物體YouTube：Brainiac Studios順磁物質之所以有這樣的特性，是因為其內部的原子具有剩余磁矩。磁矩的概念聽起來陌生，實際上很好理解，它是原子的一種性質，一旦原子帶有磁矩，就變成了一塊“小磁針”，當有外界磁場出現時，原子磁矩就會順著磁場指。所以，我們可以形象地把順磁物質看成由無數原子一樣大的“小磁針”組成。當沒有外磁場時，每個“小磁針”的指向幾乎都不同，總體上看沒有規律。順磁固體內部就像一個小磁針陣列當存在一個外磁場時，每個小磁針在外磁場的作用下偏轉，都齊刷刷地順著磁場指向同一個方向。要知道小磁針本身也是一塊磁鐵，只不過它能產生的磁場小到可以忽略不計。不過，當所有小磁針指向同一個方向時，每個小磁針的磁場相互疊加，眾人拾柴火焰高，使得總體上看產生了一個與外磁場同方向的新的磁場，即發生磁化。通常含有稀土元素的鹽類都具有很好的順磁性，比如釓鹽就是性能優良的順磁材料，被應用在工業、醫療等重要領域。通過施加和去除外界磁場，我們就可以很方便地改變這種物質的磁性，進而通過磁熱效應控制它的溫度。釓礦石YouTube：Thoisoi那么，磁熱效應究竟是如何發生的，其內部又有什麼科學原理呢？混亂與熵生活中我們都有這樣的經歷：如果屋子長時間不收拾，會變得越來越亂，其實物理學里也有一個描述混亂程度的量，叫做熵[shāng]。一個系統內部如果越混亂，熵就越大；越有序，熵就越小。我們剛剛介紹的順磁物質具備兩種熵，一個是磁熵，一個是熱熵。磁熵很好理解，就是磁矩方向的有序性。如果順磁物質內各個原子磁矩方向大體一致，即每個“小磁針”指的方向都差不多，那么該物質磁熵就較低。如果順磁物質內各個原子磁矩方向幾乎都不一樣，每個“小磁針”各自指向不同的方向，那么該物質的磁熵就較高。熱熵則和構成物質的分子或原子的熱運動劇烈程度有關。我們知道，構成物質的分子或原子一直在做振動，物體的溫度就越高，振動越劇烈，振動的方式越多樣，同時分子或原子的排列就越隨機，越無序，熱熵也就越大。順磁物質的總熵即為磁熵和熱熵的總和，因此當順磁物質的總熵改變時，可能是磁熵在改變，也可能是熱熵在改變，還可能二者同時發生變化。即便順磁的物質的總熵不變，我們也不能認為它的磁熵和熱熵都不變，可能是二者中的一個增大，另一個相應地減小，但總量保持不變。而磁熱效應便是用這種此消彼長的現象實現的。絕熱去磁制冷了解了這么多背景知識后，我們來具體看看磁熱效應發生的過程吧！要想發生磁熱效應，首先要把順磁物質嚴嚴實實地包裹起來，使它和外界不能有任何的熱量交換，外面的熱量進不來，里面的熱量也散不出去，僅有磁場能自由出入，這在物理學里稱為絕熱過程。根據熱力學原理，可逆絕熱過程中系統的總熵不變。這就意味著，一旦順磁物質被絕熱，無論是給它施加磁場，讓它磁化，還是撤掉磁場讓它去磁，它的總熵都是不變的。雖然總熵不變，但是我們已經知道，順磁物質的熱熵和磁熵依然隨著磁場在此消彼長地變化著。當對被絕熱的順磁物質施加磁場時，順磁物質會被磁化，其內部磁矩整齊劃一地指向同一個方向，磁熵降低。但由于絕熱的作用，它的熱熵會相應增高，使得總熵不變。當撤掉磁場時，順磁物質退磁，其內部各個磁矩不再指向同一方向，再次回到混亂的狀態，磁熵增大。但由于絕熱的作用，它的熱熵會相應降低，使總熵保持不變。說到這里，想必聰明的小伙伴已經看出門道了。利用絕熱的效應，我們可以通過磁場控制熱熵的增減，而熱熵的增減恰恰對應著溫度的高低。對順磁物質絕熱磁化時，熱熵增高，順磁物質內部原子的振動加劇，溫度上升，對外放熱，起到加熱的效果。對順磁物質絕熱去磁時，熱熵減小，順磁物質內部原子的振動減弱，溫度降低，起到制冷的作用，這便是磁熱效應，利用這種效應，我們就能制成“磁冰箱”，為其他物體制冷。磁熱效應看到這里，小伙伴們是不是覺得“絕熱去磁制冷”沒有那么高深莫測了呢？在這些專業名詞與復雜概念的背后，不過是一場此消彼長的“蹺蹺板游戲”。“磁冰箱”的工作過程“磁冰箱”的原理雖然簡單，但是要把一個抽象的物理原理變成可以為我們服務的設備，還是需要一番巧妙的構思的。下面，小編就帶大家了解下最簡單的環形絕熱去磁機構。如上圖，左側為制冷區，待冷凍的物體放在這里；右側為磁化區，有一個散熱器。以釓鹽為代表的順磁固體在環形軌道上不斷轉動，交替往復地不停進出兩個區域。當順磁固體從磁場中快速轉出時，可近似看作絕熱去磁過程，此時順磁固體的溫度會降低。低溫的順磁固體靠近待制冷物體時，由于自身溫度更低，會把熱量從待制冷物體身上吸走，達到制冷的目的。隨后，順磁固體離開制冷區，再次回到磁場中，這時發生的是絕熱磁化現象，因此順磁固體的溫度會升高。為了保證制冷效果，使裝置正常運行，磁場區還需要加裝一個散熱器，把絕熱磁化產生的多余的熱量散發到外界，保證順磁固體的溫度不會太高。之后，順磁固體再次脫離磁場，在絕熱去磁效應的作用下降溫，進入制冷區，完成下一次循環。無數個循環后，被制冷物體的熱量會一次次被低溫順磁固體吸走，直到被制冷物體的溫度下降到與絕熱去磁后的低溫順磁固體一致。實際的磁制冷裝置總體上看，順磁固體就像一個專門運輸熱量的快遞員，一次次地把被制冷物體的熱量從制冷區輸運到磁化區，磁化區的熱量最終又被散熱器一點點排出到外界空氣中，以此實現了制冷。不過，這種環形運動的制冷機構雖然巧妙，但由于順磁固體需要不斷地來回轉動，不可避免地會帶來振動和噪音，這也是它一直沒有被普及到千家萬戶的原因之一。改良的制冷裝置，依然無法避免振動目前，這種磁制冷“冰箱”僅僅在某些工業領域和實驗之中使用，造價也相對昂貴。不過小編相信，大家中的某人在未來也許會用更巧妙的設計，制造出沒有振動、廉價又便利的磁制冷冰箱。期待大家的腦洞哦！相關搜索磁場強度磁感應強度磁制冷冰箱原理圖磁制冷現象磁制冷優勢磁制冷技術ppt

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