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体育比赛下注绝热去磁制冷

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  在极低的温度下(1K),一切气体都已转化为液体或固体,包括液氦,仅依靠气体膨胀制冷,难以达到更低的温度。20世纪20年代末,Debye在1926年和Giauque在1927年分别独自提出可通过绝热去磁实现更低的温度。这种制冷技术首次被化学家Giauque和他的同事D.P.MacDougall博士在1933年低温实验中得到证明,当时他们达到了0.25K,这个温度仅可通过对液体He

  抽真空得到,获Giauque也因此获得了诺贝尔奖。2005年之前,人们用这种方法已经获得0.001K以及更低的温度。该方法所根据的事实是:在固定温度的情况下,磁矩系统的熵将由于外加磁场而减小。

  磁致冷是一种基于磁热效应的制冷技术,这种技术既可以用来实现极低温度(1K),也可以在普通冰箱范围使用。该磁热效应是磁热力学现象,一个特殊材料的温度可随磁场强度而可逆变化,也被物理学家称为绝热去磁,因为他们应用这种过程的目的是专门为了产生温降。

  任何一种金属物质在磁场中均会产生附加磁场,如果产生的附加磁场与原磁场的方向相同,则该物质称为顺磁性物质;反之,称为抗磁性物质,磁性制冷机中所采用的均是顺磁性物质。将顺磁性盐放在减压液氦中(温度在1K以下),并加入磁场,进行等温磁化,然后在绝热条件下去掉磁场,由于绝热去磁作用需吸收大量磁化热,便产生致冷效应(即温度降低),最低温度可达0.001一0.005K。

  熵是系统无序度的量度:无序度愈大,熵就愈高。在磁场中,磁矩部分地排列整齐(部分有序),所以加磁场使熵降低。如果降低温度,熵也会降低,因为这时有更多的磁矩排列整齐。

  若在磁化以后,能够保持自旋系统的熵不变而将磁场撤去,那么自旋系统的有序度所相应的温度看来比同样的有序度在磁场存在时所相应的温度为低。当样品绝热去磁时熵只可能从晶格振动系统流入自旋系统,如图1所示。在感兴趣的温度下,晶格振动的熵通常小到可以忽略,因此在样品绝热去磁的过程中,自旋系统的熵基本上不改变。去磁致冷是单次操作的,不能循环进行。

  首先求出N个离子系统的自旋熵表达式,每个离子的自旋为S,系统处在足够高的温度下,以致自旋排列完全无序。即假定T远高于某个特征温度△,△表征倾向于使自旋择优取向的相互作用能量(

  。温度升高到每个离子的2S+1个态被占据的情况几乎相同时,G就是把N个自旋安排到2S+1个态被占据的情况中去的一切方式的总数。因此G=(2S+1)N,而自旋熵

  当磁场使这2S+1个态的能量分开时,如果在低能量状态上的布居数(即粒子数)增加,那么就意味着外加磁场使这一自旋熵减小。

  之下加磁场,样品与周围环境保持良好的接触,过程的这一步以等温线ab表示,然后样品绝热(△

  分布于一个磁致子能级( magnetic sublevel)上的粒子数仅仅是

  的函数,因而只依赖于B/T;自旋系统的熵又只是粒子分布的函数,因此自旋熵也只是B/T的函数。如果

  表示对应于这种局域相互作用的有效场,那么在绝热去磁实验中达到的最终温度T

  外加磁场强度的降低,材料中分子运动,使得原来磁热材料内部的各个区域(磁畴)重新失去方向。如果材料被孤立开来,例如绝热过程,磁畴将吸收热能已重新排布,结果使其温度下降。如图3所示,钆合金在磁场内部先被磁化加热,然后把热能散到环境中,此时它若离开磁场,则其温度会比进入的时候更冷。

  磁热效应最显着的例子之一是化学元素钆及其一些合金。当进入某一磁场时,钆的温度会上升;当它离开磁场。温度下降钆合金的磁热效应更加强。镨与镍(PrNi5)合金的磁热效应最强,它使得科学家能够达到离绝对零度只有千分之一的范围内。2001年,已可成功地研制出可在室温下商业应用化的材料和永久磁铁,可用于制造可广泛使用的磁热制冷机。

  =1K时加入磁场进行等温磁化(过程1-2),然后绝热去磁(过程2-3),温度便从T

  =1K下降到0.001-0.005K。一般在绝热去磁过程中所用的顺磁性盐类主要有:铁铵[NH4Fe(SO4)2·12H2O]、铬钾矾[KCr(SO4)2·12H2O]、硝酸饰镁[Ce2Mg3(NO3)12·14H2O]等盐类。

  1.先将顺磁性盐用一根细丝悬挂在一个装有低压气态氮的管子中,将管子上部的阀门关闭,再把管子放入装有减压液氦的杜瓦瓶内,由于管子内的低压氮气与减压液氦进行充分热交换,使顺磁性盐的温度达到与减压液氦的温度1K左右相接近,见图4(a)。

  2.缓慢加入磁场,这时顺磁性盐产生的磁化热.通过与氮气进行热交换后传递给液氦,顺磁性盐的温度继续保持在1 K左右,见图4(b)。

  3.打开阀门,抽去存放顺磁性盐管于内的氮气,并使其和周围液氦隔热,见图22(c) 。

  4.关闭阀门,去掉磁场,顺磁场的温度就下降。如顺磁性盐和适当的磁场强度,可以获得0.001-0.005K的极低温度,绝热去磁制冷方法主要用于原子能工业等科研部门。

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