摘要
本文從熵的觀點(diǎn)出發(fā)，利用熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)理論分別從宏觀與微觀的角度對(duì)絕熱去磁制冷的物理原理進(jìn)行了初等分析.
關(guān)鍵詞
磁熵;順磁質(zhì);絕熱去磁
1.制冷原理
在物理學(xué)中“低溫”是指低于液態(tài)空氣(81K)的溫度.低溫在現(xiàn)代技術(shù)與科學(xué)中有著重要意義.在技術(shù)上空氣在低溫液化后可以通過(guò)分餾而得到氧氣、氮?dú)�、氫氣等工業(yè)各方面的應(yīng)用，在生物科學(xué)上，低溫環(huán)境用來(lái)保存活體.用低溫可以使某些材料具有超導(dǎo)性質(zhì).在廣泛地用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng).對(duì)低溫條件下物理現(xiàn)象的研究在理論上也具有重要意義.這方面著名的例子是，吳健雄等人利用絕熱去磁致冷的低溫條件做的so C。
絕熱去磁是產(chǎn)生1K以下低溫的一個(gè)有效方法，即磁冷卻法。這是1926年德拜提出來(lái)的。在絕熱過(guò)程中順磁固體的溫度隨磁場(chǎng)的減小而下降。
將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內(nèi)，通過(guò)低壓氦氣與液氦的接觸而保持在1K左右的低溫，加上磁場(chǎng)（量級(jí)為10^6A/m）使順磁體磁化，磁化過(guò)程時(shí)放出的熱量由液氦吸收，從而保證磁化過(guò)程是等溫的。順磁體磁化后，抽出低壓氦氣而使順磁體絕熱，然后準(zhǔn)靜態(tài)地使磁場(chǎng)減小到很小的值（一般為零）。
利用固體中的順磁離子的絕熱去磁效應(yīng)可以產(chǎn)生1K以下至mK量級(jí)的低溫。例如從0.5K出發(fā)，使硝酸鈰鎂絕熱去磁可降溫到2mK。當(dāng)溫度降到mK量級(jí)時(shí)，順磁離子磁矩間的相互作用便不能忽略。磁矩間的相互作用相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)等效的磁場(chǎng)（大小約10^4~10^3A/m），使磁矩的分布有序化，這方法便不再有效。
核磁矩的大小約為原子磁矩的1/2000。因此核磁矩間的相互作用較順磁離子間的相互作用要弱的多，利用核絕熱去磁可以獲得更低的溫度。
1.1制冷方法
根據(jù)各種致冷原理，目前主要的致冷方法大致可分為四類(lèi):(1)絕熱膨脹法;(2)物相轉(zhuǎn)化法;(3)絕熱去磁法;(4)激光致冷法.絕熱去磁法是由德拜和吉奧克等人于20世紀(jì)20至50年代發(fā)展起來(lái)的致冷方法.“絕熱去磁冷卻”由等溫磁化和絕熱去磁兩個(gè)過(guò)程構(gòu)成.由于后一過(guò)程實(shí)現(xiàn)冷卻而被如此命名.根據(jù)磁體的類(lèi)別，絕熱去磁法又可分為順磁性鹽絕熱去磁法與絕熱去磁法.利用前者一般可降溫至mK量級(jí)，而利用后者通�？色@得}K量級(jí)低溫，兩者致冷原理相似. 本文以具有自旋系統(tǒng)的理想順磁性鹽類(lèi)為研究對(duì)象，從熵的觀點(diǎn)出發(fā)，利用熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)理論，分別從宏觀與微觀的角度對(duì)磁制冷的物理原理進(jìn)行了初等分析，并簡(jiǎn)單介紹了順磁性鹽絕熱去磁致冷法在卡諾循環(huán)中的物理原理，可供大學(xué)物理課教學(xué)參考.
1.2熵的觀點(diǎn)
熵是系統(tǒng)無(wú)序度的量度.當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷的是絕熱過(guò)程時(shí)，系統(tǒng)的熵變?yōu)榱?容易理解，對(duì)磁介質(zhì)來(lái)說(shuō)，影響其熵變的主要因素有兩個(gè):一個(gè)是磁介質(zhì)本身的溫度T，二是施于磁介質(zhì)的外磁場(chǎng)Bo.因此，我們可以將磁介質(zhì)的熵看成由兩個(gè)部分組成:一部分受溫度的影響，稱(chēng)為熱熵，用Sr表示;另一部分受磁場(chǎng)B的影響，稱(chēng)為磁熵，用SB表示.于是系統(tǒng)的熵為S=SB+ST.當(dāng)介質(zhì)絕熱磁化，磁場(chǎng)由零增到某一數(shù)值時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的分子磁矩的排列將由混亂無(wú)序到趨于與外磁場(chǎng)B。同向平行排列，即系統(tǒng)的磁化熵(無(wú)序)減少了，△SH < 0.因?yàn)榻^熱過(guò)程系統(tǒng)的熵變?yōu)榱�，�?/p>
△S = △SB十△ST=0‘
故必有△ST>0，這表明磁介質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度增加，介質(zhì)的溫度升高.可見(jiàn)，絕熱磁化會(huì)使磁介質(zhì)的溫度增加. 當(dāng)絕熱去磁時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的分子磁矩的排列又恢復(fù)到磁化前的混亂狀態(tài)，即無(wú)序度增加，磁化熵變大△SH>0.故△ST<0，即受熱運(yùn)動(dòng)影響的無(wú)序度減少，介質(zhì)的溫度降低.可見(jiàn)，絕熱去磁可使介質(zhì)的溫度下降.根據(jù)這樣的原理來(lái)獲得低溫的方法稱(chēng)為絕熱去磁致冷法，通常又簡(jiǎn)稱(chēng)磁致冷.圖1為工程技術(shù)中的一種磁致冷實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖.磁材料塊A,B,C,D等間距地放在一個(gè)每轉(zhuǎn)90。停留一段時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤(pán)上，當(dāng)材料塊A進(jìn)人磁化區(qū)后，迅速磁化(可視為絕熱磁化)，溫度升高.但因與大氣相通，在此后一段時(shí)間內(nèi)放熱后恢復(fù)原來(lái)溫度，隨即進(jìn)人負(fù)載區(qū)，因迅速脫離磁化場(chǎng)而去磁(可視為絕熱去磁)，因而溫度降低.在一段時(shí)間內(nèi)由負(fù)載區(qū)吸熱.這樣，四塊材料，依次周而復(fù)始，不斷重復(fù)上述過(guò)程，就可以把與環(huán)境絕熱的負(fù)載區(qū)的溫度降下來(lái)，實(shí)現(xiàn)磁致冷.用磁致冷原理制成的冰箱，不會(huì)因使用制冷劑氟利昂而污染環(huán)境，很有發(fā)展前途.
2.卡諾循環(huán)
如圖4.卡諾循環(huán)是用絕熱去磁和絕熱磁化兩個(gè)過(guò)程來(lái)接兩個(gè)等溫過(guò)程的.D->A絕熱磁化，系統(tǒng)的熵不變.此過(guò)程因?yàn)椤鱏B<0，所以△ST > 0.系統(tǒng)溫度由T，升至T2. A->B繼續(xù)磁化并等溫放熱，系統(tǒng)的熵下降.B->C是絕熱去磁過(guò)程，系統(tǒng)的熵不變，由于工質(zhì)從磁有序變?yōu)榇艧o(wú)序，所以△SB>0, △ST<0.系統(tǒng)溫度由T2孔降到T1，C->D繼續(xù)退磁直至撤出外磁場(chǎng)，系統(tǒng)吸熱保持低溫，工質(zhì)回到初態(tài).致冷系數(shù)為ε=T2/T1-T2。
從本文的分析結(jié)果可以看出，理想的順磁工質(zhì)所應(yīng)具備的條件是:熱熵(晶格熵> ST應(yīng)盡量小;磁性離子密度要高，且J值要大以獲得大的熵變;熱傳導(dǎo)率要高，它是決定致冷機(jī)運(yùn)行速度致冷能力的一個(gè)重要因素.
