@ 2015.09.09 , 14:14

真实的磁制冷与它的原理

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有一天我们或许能制造出不使用任何化学品或工业制冷剂的冰箱,它的实现主要依靠金属材料的一种特殊属性以及传说中的“熵”(entropy)。

大家小时候都玩过磁铁:把它们吸在大块金属上,或是吸起地面上的小粒金属。当我们在做以上两件事时,实际上也在为这些金属加温——这并不是因为握住它们的手是热的,而是磁场本身可以导致金属材料温度升高,这种现象被称作磁致热效应(magnetocaloric effect)。

当一块金属在不受磁场影响的情况下,安静地被放置,它内部未受束缚的电子毫无目的地四处旋转。担当一块磁体靠近,这块金属在磁场的作用下向磁体靠近,内部电子的自旋与角动量成固定方向排列。众所周知,熵指的是体系内混乱的程度。当电子有序排列时,金属内部的熵值就降低了——再说简单一点,就是电子的自由运动受到了限制。这种限制并不是绝对的。电子虽然不能像之前一样四面八方地随意旋转,但它们仍然能向一些特定方向旋转。在这种情况下,熵值的增加靠原子的震动实现。具体地说,原子的震动也就是发热(heat)。将金属放置于磁场中,金属会发热。在大多数金属材料中,这种发热并不明显,但对于例如钆(gadolinium)这样的材料,这种发热是人体可以感知到的。

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但发热这样的特殊属性,大概做饭是可以吧,和制冷可是八杆子打不着啊。然而你所不知道的是,磁致热效应是双向的,当金属被移除磁场,热能也会降低。磁制冷机目前在一些大型实验室中被用于冷却小块金属体。进行磁冷却时,金属上通常附着有一层物质,例如氦。当金属处在稳定磁场中时,所产生的热能被金属表面的氦所吸收,金属降温;随后磁场被转移,金属温度进一步降低——直到冷到足够被用作为冷却装置。

磁冷却已经出现了很长一段时间,但要进入到生活领域中还需要很长时间。它的优势就在于不需要化学制剂而且更加安静,高效。

[keep_beating via io9]


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