海南制冷材料

磁制冷是基于磁熱效應(yīng)的一種制冷技術(shù)。你可以想象一塊磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下，溫度發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生冷量。

那么，什么樣的材料才會(huì)有磁熱效應(yīng)呢？

首先，我們需要了解磁性材料的基本特點(diǎn)。從微觀角度來(lái)看，磁性材料通常由許多微小的磁性顆粒組成，每個(gè)顆粒內(nèi)部都存在一個(gè)磁矩，它是由電子的自旋和軌道角動(dòng)量決定的。這些顆粒之間的排列常有四種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)四種磁性：鐵磁性、亞鐵磁性、順磁性和反鐵磁性。

當(dāng)磁性材料被放置在外加磁場(chǎng)中時(shí)，磁矩會(huì)重新排列，以適應(yīng)外加磁場(chǎng)的作用，這個(gè)重新排列過(guò)程稱為磁矩取向。

順磁性材料是具有自發(fā)磁矩的材料，它們的磁矩總是沿著外加磁場(chǎng)方向取向。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，它對(duì)外呈現(xiàn)出順磁性；在外加磁場(chǎng)作用下，它的磁矩沿著外加磁場(chǎng)有序排列，對(duì)外呈現(xiàn)出鐵磁性。

除了外加磁場(chǎng)，溫度也會(huì)使磁矩重新排列，大部分磁性材料都是某一溫度點(diǎn)之下呈現(xiàn)鐵磁性或亞鐵磁性，該溫度點(diǎn)以上呈現(xiàn)順磁性。上面提到的這個(gè)溫度點(diǎn)就是居里溫度（Tc），又稱為磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，居里溫度點(diǎn)決定了磁性材料所能服役的溫區(qū)。不同的磁性材料有不同的居里溫度點(diǎn)，這使得磁制冷技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，從室溫到極低溫都有不同的應(yīng)用。

磁熱效應(yīng)究竟是如何發(fā)生的呢？磁矩取向和熱效應(yīng)又有什么關(guān)系呢？它們之間又蘊(yùn)含著什么科學(xué)原理呢？實(shí)際上，磁矩的排列就像我們的房間一樣，不常收拾就會(huì)變得越來(lái)越混亂，而在物理學(xué)里，有一個(gè)用來(lái)度量體系混亂程度的物理量，叫作熵。對(duì)于一個(gè)孤立系統(tǒng)而言，混亂程度越高，熵越高，反之熵越低。

磁性材料主要有兩種熵：磁熵和熱熵。磁熵是指磁矩的有序無(wú)序性；熱熵則是指組成物質(zhì)的分子或原子的振動(dòng)方式，振動(dòng)方式越多，越劇烈時(shí)，熱熵也就越大。這兩個(gè)熵之和就是磁性材料的總熵。總熵改變時(shí)，可能是磁熵或熱熵的改變，也有可能兩者都在變化；而總熵不變時(shí)，并不一定是磁熵和熱熵都不變，有可能是一個(gè)增大，一個(gè)減小。

磁熱效應(yīng)正是通過(guò)磁熵和熱熵之間的“此消彼長(zhǎng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了保持總熵不變，磁熱材料需要處在一個(gè)絕熱環(huán)境中。絕熱環(huán)境就是整個(gè)系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換，熱量進(jìn)不來(lái)也出不去。此時(shí)，給磁性材料施加外磁場(chǎng)時(shí)，磁矩排列整齊，磁熵減小，那么熱熵就會(huì)變大，會(huì)放出熱量；相反，去掉磁場(chǎng)時(shí)，熱熵減小，需要吸收熱量，這時(shí)就起到了制冷的效果。聽(tīng)起來(lái)高深莫測(cè)的磁制冷，不過(guò)是此消彼長(zhǎng)的“蹺蹺板游戲”而已。

高效節(jié)能的磁制冷的優(yōu)勢(shì)

1）綠色環(huán)保。磁制冷不需要使用任何對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)，這與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷方式存在著顯著的差異，傳統(tǒng)方式需要利用制冷劑來(lái)吸收和釋放熱量，這些制冷劑中包含一些有機(jī)氟化物、氨及碳?xì)浠衔铮麄冇兄茐某粞鯇?、有毒、易泄漏、易燃、易爆等損害環(huán)境的缺陷；

2）高效節(jié)能。磁制冷系統(tǒng)通過(guò)磁場(chǎng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，而不是像傳統(tǒng)方式通過(guò)機(jī)械壓縮氣體。這意味著磁制冷可以在非常低的溫度下運(yùn)行，并且消耗的能量較少。磁制冷理論效率可達(dá)到卡諾循環(huán)效率的60～70％，而氣體壓縮制冷一般為 20～40％。也就是說(shuō)，在其他條件相同的情況下，磁制冷的耗電量只有傳統(tǒng)壓縮制冷冰箱的50%左右；

3）穩(wěn)定可靠。磁制冷不需要?dú)怏w壓縮機(jī)，運(yùn)動(dòng)部件少，無(wú)振動(dòng)，零噪聲，可靠性高，壽命長(zhǎng)，便于維修；

正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，磁制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用溫區(qū)，磁制冷主要應(yīng)用于極低溫溫區(qū)（＜1 K，如量子計(jì)算等）、低溫區(qū)（如核磁共振成像、氣體液化等）和室溫區(qū)（如空調(diào)、冰箱等）。