@ 2015.09.09 , 14:14
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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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TOTAL COMMENTS: 18+1

  1. 2926221

    ps cc extended

  2. 雨雨
    @2 years ago
    2926225

    小时候一块磁铁可以玩一天

    [47] XX [2] 回复 [0]
  3. 文艺的2B
    @2 years ago
    2926242

    @雨雨: 现在也是,就是要充电了,挺麻烦的。

    [30] XX [0] 回复 [0]
  4. 2926245

    我想问一下,热能的能量来自于哪里?来自于移动磁铁需要的能量?

    [0] XX [11] 回复 [0]
  5. 无敌的人
    @2 years ago
    2926250

    总算有一篇科普文章能看懂了!希望这种技术能早日大范围使用

  6. 2926294

    磁冷冰箱一开,菜刀勺叉什么的就都飞过来了

    [13] XX [1] 回复 [0]
  7. 科幻小说读者
    @2 years ago
    2926303

    这个原理早在读中学的时候就读课外书看过,但是为什么没有推广开呢?效率和成本应该是关键!

  8. 2926306

    当有磁铁靠近时,金属的熵到底是增加还是降低?

  9. 桃花仙
    @2 years ago
    2926309

    @无敌的人:
    我没怎么看懂,我理解:磁场束缚了电子运动,有熵减的趋势,为了维持熵不变原子整个运动起来了,因此导致金属温度升高,用氦冷却之后,再撤掉磁场,原子不动了,温度降低了。大概是这样吗?

  10. 2926318

    @ene: 内能。

  11. 2926320

    @sds: 大致一致…… 就是因为排列方向上的混乱度降低(从而这方面的熵下降),而同时总熵又维持一致,于是熵转移去温度那边了。

  12. 2926323

    @无敌的人: 日用很难,因为这个技术本身需要有一个冷源来冷却发热后的磁体,问题是本来反正已经有冷源了,干嘛要这样中转一圈降低效率呢,直接用那个冷源来制冷不就好了吗?

  13. aladin2000
    @2 years ago
    2926344

    每次看到铁沙被吸起来,就觉得 很!恶!心!

  14. 2926415

    @abc: 因为当需要冷却到氦气的温度以下的温度的时候,这个就能发挥作用了.

  15. 2926426

    @abc: 应该这样说:你的冷源本身温度是低的情况下进一步再降低就是本文的目前。即比氦温度更低场景可以通过磁冷却达到。

  16. 东经
    @2 years ago
    2926446

    用一个转动的磁带加上一个磁铁,磁铁部分的磁带经过散热片,这样出来的磁带就是凉的了。

  17. 你吃相太难看
    @2 years ago
    2926456

    虽然生活中有很多东西迫不及待的期待科学家能改进,,,但是空调绝对是最不属于那些东西一类的,,,一到夏天对空调只有满脑子的感激。。。。。。。

  18. 芒刺
    @2 years ago
    2926911

    @Tino: 说白了没什么卵用,先要用磁加热了再移除,这样才会降温。。这和打一巴掌再给一颗糖有什么区别

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