磁致冷与磁熵变的计算
制冷领域磁制冷技术研究
制冷领域磁制冷技术研究引言制冷系统是现代建筑和工业系统中不可或缺的一个部分，因此对于提升制冷系统效能和可靠性的技术的研究和发展具有极大的意义。
磁制冷技术在制冷系统中具有众多的潜力，是近年来颇受关注的一个领域。
本文将探讨制冷领域的磁制冷技术研究，主要包括磁致冷和基于磁熵变的制冷技术。
磁致冷技术磁致冷技术基于磁性材料在磁场中的磁致伸缩变现象。
磁性材料在磁场中的磁熵变可以与热的性质联系起来，即在磁场变化过程中，磁性材料的磁熵变与磁场的变化量成正比。
这样，磁性材料在磁场作用下的磁熵变将为制冷提供一种新的机制。
通过加强或减弱磁场，可以实现磁性材料的磁熵变，从而达到制冷的效果。
当磁性材料在磁场中发生磁态变化时，将会吸收热量。
这种热量吸收带来的效果使得磁致冷技术成为一种非常有前途的新型制冷技术。
磁致冷制冷剂通常包括磁性材料作为热交换介质，如磁性材料隔热层和磁性材料换热器。
磁性材料的磁熵变被应用于磁致冷制冷剂中，从而使其具有制冷效果。
在磁致冷制冷中，通常采用氢氟碳化物（HFC）和氢氟烯碳化物（HFO）等无卤素制冷剂材料。
这些制冷剂的使用可以避免由卤素化学物质产生的环境污染，使得磁致冷技术的应用更加环保。
基于磁熵变的制冷技术基于磁熵变的制冷技术是一种新型的制冷技术，它利用磁性材料的磁熵变特性，通过改变温度和磁场来实现制冷。
这种技术与传统压缩式制冷技术相比，具有高效、环保等优点。
基于磁熵变的制冷技术可以被分类为热辐射、机械驱动和热吸收三种类型。
热辐射型基于磁熵变制冷技术是一种通过吸收热辐射来制冷的技术。
在此技术中，磁性材料的磁熵变会引起热传输，这个过程可以吸收周围环境的热能。
这种制冷技术可以使用地球表面、空气和其他热源作为热源，使其具有广泛的适用性。
机械驱动型基于磁熵变制冷技术是一种通过机械驱动来实现制冷的技术。
它的基本原理是，当磁性材料在磁场中发生磁态变化时，它会吸收热量，这种热量吸收效应可以通过机械驱动来实现。
熵变的计算公式
熵变的计算公式
在热力学中，熵是表示系统混乱度的物理量，它与系统微观状态的数量有关。
对于封闭系统，熵变ΔS可以由下式计算：
ΔS = Σ pi ln(pi)
其中，pi表示系统微观状态的概率。
根据熵的定义，微观状态数量越多，系统越混乱，因此熵变ΔS的值会随着微观状态数量的增加而增加。
对于可逆过程，熵变ΔS = 0；对于不可逆过程，熵变ΔS > 0。
因此，熵变可以用来判断过程是否可逆。
如果一个过程的熵变ΔS为负值，则该过程为可逆过程；如果熵变ΔS为正值，则该过程为不可逆过程。
此外，熵变还可以用来计算系统的热量变化。
根据热力学第一定律，系统的热量变化ΔQ = TΔS，其中T表示系统的温度。
因此，通过测量系统的温度和熵变，可以计算出系统的热量变化。
总之，熵变的计算公式是热力学中一个重要的公式，它可以用来判断过程是否可逆以及计算系统的热量变化。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的公式进行计算。
5730图书馆_一级相变磁制冷材料的基础问题探究
Vol. 63, No. 14 (2014) 147502
一级相变磁制冷材料的基础问题探究∗
陈湘 1)2)† 陈云贵 2) 唐永柏 2) 肖定全 2) 李道华 1)
1) (内江师范学院工程技术学院, 内江 641112) 2) (四川大学材料科学与工程学院, 成都 610065)
H
1.6) 等一级相
变合金在居里温度处发生铁磁 -顺磁转变时伴随着 巨大晶格负膨胀 (磁弹性耦合), 因此相变过程晶格 熵变的影响是不能被忽略的, 显然这里的晶格熵变 除和温度相关外, 还应该和外磁场有关. 则系统的 总熵变为 ∆S (T, H ) ≈ ∆S (T, H )L + ∆S (T, H )M . (12)
2.2
等温熵变的计算
目前等温磁熵变的计算公式基本上采用 Maxwell 方程. 该方程的推导方法比较多, 首先 我们将外磁场作用的磁制冷材料作为一个热力学 系统, 系统内能 U 和 S 、 体积 V 磁化强度 M 的关系 为 U = U (T, M, V ), 则其微分式为 [4] d U = T d S + M d H − P d V. 在忽略了材料体积变化的情况下, 可得 d U = T d S + M d H. (16) (15)
∂M ∂T
) d H.
H
(18)
同样上式对在高于居里温度以上由磁场诱导 的磁一级相变的熵变的计算也是适用的, 即等磁场 下由温度诱导磁相变和等温下由磁场诱导磁相变 中都必须考虑晶格熵变对总熵变的影响. 对于一级 相变, 在高于居里温度点的某一温度下, 加磁场时 可以引起磁有序度的改变 (顺磁态), 这是由于没有 晶格负膨胀现象, 只有磁熵变, 但磁场达到一定值 后又会引起磁对称性的改变, 即磁场诱导磁相变, 这时不仅有磁熵变, 而且还有晶格熵变. 另外一种理解是等温磁熵变 (∆SM ) 等于顺磁 态熵变 (∆SP )、 铁磁态熵变 (∆SF )、 磁场诱导磁相变 的熵变 (∆SL )、 电子熵变 (∆SE ) 之和 [3] , 即 ∆SM = ∆SP + ∆SF + ∆SL + ∆SE . (13)
磁制冷研究
磁制冷研究这是利用磁热效应的制冷方式。
早在 1907 年郎杰斐（ngevin）就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。
从机现上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。
这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。
1．基本概念螺旋线圈通电时，产生感应磁场 B0 。
在线圈中插入磁性物体（比如铁棒），物体磁化后产生附加磁场 B ′。
于是，总的磁感应强度为B = B0 + B′ (3-1)不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质称作顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质称作抗磁体（如铋、氢等）。
磁感应强度单位是特斯拉(Tesla)，用符号 T 表示。
设物体的磁矩为 M。
物体在磁场 H 中磁矩增加 dM 时，磁场对物体作功为μ0 HdM 。
该过程中物体吸热 d Q ，内能增加 dU。
则由热力学第一定律有dQ = dU - μ0 HdM式中μ0 ――真空磁导率，N/A2；H ――磁场强度，A/m；M ――磁矩，Am2；将式与熟知的气体热力学第一定律表达式dQ = dU + pdV 相类比。
磁系统中的μ0 H相当于气体系统中的压力 p ；M 则相当于体积V 。
并类似地引出磁熵S 的概念。
用T-S图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T 、磁熵 S 与磁场 B （常用磁感应强度代替磁场强度 H ）三者之间的关系。
2．低温磁制冷在 16K 以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变。
磁制冷卡诺循环如图所示。
它由四个过程组成： 1-2 为等温磁化（排放热量）； 2-3 为绝热退磁（温度降低）； 3-4 为等温退磁（吸收热量制冷）； 4-1 为绝热磁化（温度升高）。
磁致冷材料
3.4 磁致冷材料
磁致冷的基本概念
（1）磁致热效应 铁磁体受磁场作用后，在绝热情况下，发生温度上升或
下降的现象，称磁致热效应。
（2）磁熵
磁致热效应是熵变化的结果，它是与温度，磁场等因素
有关的物理量。磁熵变 Sm
Sm
H M (T, H )dH 0 T
3.4 磁致冷材料
3.4 磁致冷材料
Gd5(SixGe1- x)4系合金特点
通过调节 Si 含量, 居里温度在 20~360K 连续可调;在较 高磁场(H> 5T)时, 呈现巨磁热效应, ΔSM是纯Gd 的 2 倍, 是其他磁致冷材料的 2~10 倍。MCE是可逆的, 多次使用后 不会消失。
Gd5(SixGe1- x)4系合金的不足： ① 原料的杂质, 尤其是间隙元素 C、O 等对磁热效应影响
（3）退磁降温温差
退磁降温的温度变化T 是指磁性介质在绝热条件下经磁化和
退磁后，其自身的温度变化。它是标志磁致冷材料制冷能力的 最重要的参量。
磁致冷材料的特性 （1）根据磁场的变化，产生的磁熵变化要大，即放热—吸 热量大，在一个周期内的冷却效应高。 （2）晶格的热振动要小，热量不至于通过振动消耗掉。 （3）热传导高，进行一个循环周期所需时间短。 （4）具有高的电阻率，以减少磁场变化引起的感应涡流产 生大的热效应。
稀土元素）为代表。另外zimm等人研制了一种（Gd1-xErx）Al2 复合材料l9]，该材料磁矩大，居里温度宽 (l4K~164K)。
3.4 磁致冷材料
77K以上特别是室温区
在该温区研究的主要稀土磁致冷材料有Gd及其化合物、La 基化合物和其它一些重稀土元素及其化合物，其中最具代 表性的材料为Gd、GdsiGe(Sn)合金、LaFe，M)13，(M=Si， Co，Al)及La系钙钛矿化合物。
磁制冷材料原理方式
磁制冷材料原理方式磁制冷技术是一种新兴的绿色冷却方式，它利用磁场来实现冷却效果。
磁制冷材料是磁制冷技术的核心组成部分，它们通过变化磁场来实现磁定态和磁熵变。
本文将深入探讨磁制冷材料的原理方式，以期帮助读者更好地理解这一领域。
我们需要了解磁制冷材料的基本原理。
磁制冷是利用磁矢势进行换热的一种方法，其基本原理是在磁场中通过改变磁场强度或方向实现温度变化。
这种冷却方式是根据磁定态和磁熵变的原理实现的。
磁定态是指在磁场中磁矢势保持不变的状态。
磁制冷材料可以通过改变温度和磁场之间的关系来实现磁定态。
具体而言，当磁场增加时，磁制冷材料的温度会降低，而当磁场减小时，温度会升高。
这种磁定态的变化很大程度上依赖于材料的磁熵变。
磁熵变是指在磁场变化过程中，磁制冷材料的熵发生变化。
熵是物质微观状态的度量，它可以看作是物质的有序程度的度量。
磁制冷材料的熵随着磁场变化会发生变化，从而导致温度的变化。
磁制冷材料的原理方式主要有以下几种：1. 磁气制冷原理方式：这种方式是利用磁矢势对气体进行换热。
磁气制冷材料通常包括铁磁性材料和非铁磁性材料。
在磁场中，铁磁性材料的磁矢势随着温度的变化而变化，从而实现冷却效果。
非铁磁性材料通常通过调整材料的磁负熵效应来实现冷却。
2. 磁致冷原理方式：这种方式是利用磁矢势对固体材料进行换热。
磁致冷材料通常包括铁磁性材料和磁形状记忆合金。
在磁场中，铁磁性材料的磁矢势随着温度的变化而变化，从而实现冷却效果。
磁形状记忆合金则通过改变其形状来实现冷却效果。
3. 磁化力致冷原理方式：这种方式是利用磁矢势对液体材料进行换热。
磁化力致冷材料通常包括铁磁液体和磁流体。
在磁场中，铁磁液体的磁矢势随着温度的变化而变化，从而实现冷却效果。
磁流体则通过调整其磁流变性能来实现冷却效果。
总结回顾一下，磁制冷材料的原理方式主要包括磁气制冷、磁致冷和磁化力致冷。
这些原理方式都是通过改变磁场来实现温度变化，从而实现冷却效果。
磁制冷材料的磁定态和磁熵变是实现磁制冷效果的关键。
浅谈磁制冷技术的应用与发展
浅谈磁制冷技术的应用与发展作者：田兆清来源：《科学之友》2009年第27期摘要:本文主要从磁制冷的原理及特点、常用磁制冷循环、磁制冷的应用以及磁制冷技术的历史和发展进行阐述。
关键词:磁制冷;磁热效应;进展中图分类号:TB69 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)27-0015-02磁制冷方式是一种以磁性材料为工质的制冷技术,其基本原理是借助磁致冷材料的可逆磁热效应,又称磁卡效应 (Magnetoc~ofic Effect,MCE)即磁致冷材料等温磁化时温度升高向外界放出热量,而绝热退磁时温度降低从外界吸收热量,从而达到制冷目的。
目前,由于全球气候的日趋变暖和灾害性天气的频繁发生,过去的制冷技术因存在着制冷效率低,能耗大,对地球温室效应影响大的问题,已经不再适应社会的需求。
在这样的情况下,磁制冷作为一项节能环保的绿色制冷技术,开始备受瞩目。
为此,为了能让更多的人理解磁制冷技术,本文将谈谈磁制冷技术的应用及发展。
1磁制冷的原理及特点1.1磁制冷的原理磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料。
磁制冷就是利用磁性材料的磁热效应,又称磁卡效应(MCE)来实现制冷的。
而从热力学上说,磁热效应是通过外磁场使磁性材料的熵改变,从而形成一个温度变化,其变化为:dU=TdS+µ0HdM-PdV (1)在忽略了体积效应后得到:d(U-TS-µ0HM)=-SdT-µ0MdH(2)由全微分关系得:(∂S/∂H)T=µ0(∂M/ ∂T)H(3)因此,在等温情况下外磁场的变化引起的磁熵变为:△S=µ0∫Hf Hi(∂M/∂T)H dH对于绝大多数材料,系统的体积效应是可以忽略的。
同样,在绝热情况下的磁系统在外磁场发生变化时的温度变化为:△T=-µ0∫T/ CH(∂M/ ∂T)H dH从上式看出,当磁性材料磁化时,dH >0,所以系统温度升高;同样,当磁性材料去磁时,dH1.2磁制冷的特点磁制冷技术是一项节能环保的绿色制冷技术,与传统的气体压缩式制冷技术相比较,磁制冷的效率高,可获得足够的低温;热动力循环效力达60 %,为普通电冰箱的1.5倍,膨胀的制冷循环一般只能达到5 %～10 %。
通过磁化曲线计算样品磁熵变得数据处理软件
通过磁化曲线计算样品通过磁化曲线计算样品磁熵变磁熵变磁熵变得数据处理软件得数据处理软件
依据公式(1)给出的计算方法，其计算程序应该是非常容易编写的, 计算非常简单, 但是这个公式有一个隐含的前提条件, 就是每一个温度点下测量的每一条M ～H 曲线，都必须是等间距测量的， 每一条曲线上的数据点也要完全一样多.
然而业界领先的QD 公司的ppms 测试给出的结果，完全不是这样. 通过观察试验测量数据发现：首先，提取某一H 下的M ～T 曲线就非常困难, 因为很多时候我们根本找不到对应的数据测量点, 每条曲线上的数据点都不一样多，每一条曲线的上限下限也各不相同，有一定的偏差. 利用给出来的公式计算，可以说是不可能的（QD 的测量数据）.
(1)
本软件根据通过精心设计的算法，实现了高精确度的数值分析, 导入原始测试数据M 和H 数值, 可在几分钟之内计算出磁熵变数据. 从而可以极大的缩短数据处理时间, 在磁熵变及磁致冷等研究方面具有重大意义.
下图是这款软件的界面:
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第四章稀土磁致冷材料
第四章稀土磁制冷材料制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并维持这一低温的过程。
所谓环境介质通常指自然界的空气和水，为了使某物体或某空间达到并维持所需的低温，就得不断地从它们中间取出热量并转移到环境介质中去，这个不断地从被冷却物体取出热量并转移的过程就是制冷过程。
制冷方法主要有三种：（1）利用气体膨胀产生的冷效应实现制冷。
这是目前广泛采用的制冷方法。
（2）利用物质相变(如融化、液化、升华、磁相变)的吸热效应实现制冷。
（3）利用半导体的温差电效应实现制冷。
目前，传统气体压缩制冷已经广泛应用于各种场合，其技术相当成熟。
但是随着人们对效率和环保的重视，气体压缩制冷的低效率和危害环境这两个缺点变得日益明显。
一是传统的气体压缩制冷效率低，只能达到卡诺循环的5%～10%，且能效比小；二是氟利昂工质易泄漏，破坏臭氧层，造成环境污染。
现在大力研究开发的无氟替代制冷剂，基本上可以克服破坏大气臭氧层的缺陷，但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷，而且有的还会产生温室效应等，不是根本解决办法。
磁制冷作为一项高效率的绿色制冷技术，而被世人关注。
由于磁制冷工质本身为固体材料以及可用水作为传热介质，消除了气体压缩制冷中因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%～60%，节能优势显著；此外，与气体压缩制冷相比，磁制冷还具有熵密高、体积小、结构简单、噪音小、寿命长以及便于维修等特点。
作为磁制冷技术的心脏，磁制冷材料的性能直接影响到磁制冷的功率和效率等性能，因而性能优异的磁制冷材料的研究激发了人们极大的兴趣。
当前，磁制冷已在低温区得到广泛的应用。
目前由于氟利昂气体的禁用，温室磁制冷的研究已成为国际前沿研究课题。
4.1 磁制冷基本概念(1) 磁致热效应铁磁体受磁场作用后，在绝热情况下，发生温度上升或下降的现象，称磁致热效应。
(2) 磁熵磁致热效应是自旋熵变化的结果，它是与温度、磁场等因素有关的物理量。
2.6熵变的计算(物理化学)
七、不可逆相变系统熵变的计算
判断此过程能否发生,需要计算S环境 由于该过程是在等压条件下发生的，所以 Qp H (W ' 0) Qp=ΔH 1 mol 苯(l) 1 mol 苯(s)
268 K 268 K
H1
1 mol 苯(l) 278 K
H3 H2
1 mol 苯(s) 278 K
p
A(P1,V1,T1)
A C B
等温过程 等容过程 B(P2,V2,T2)
T2 nCV ,mdT V2 S nR ln( ) T1 V1 T
S1
S2
C(P3,V2,T1)
V
六、变温过程中熵变的计算
解决方法(2) 设计可逆过程，如先经等温可逆过程到达中间态D， 再经等压可逆过程到达终态B.
步骤：1.确定始终态；2. 设计由始态到终态的一系列可逆过 程。3.各步可逆过程的热温商之和即为熵变。
二、环境熵变的计算
环境熵变的计算：
S环境＝ - Q实际 T环境
与系统相比，环境很大，当系统发生变化时，吸收或放出的 热量不至于影响环境的温度和压力，环境的温度和压力均可 看做常数，实际过程的热即为可逆热. 判断过程是否自发：把环境与体系一起看作一个孤立系统， 来判断系统发生变化的方向： 自发变化判据 △S孤立= △S体系+ △S环境≥0
实际不可逆相变： Q p H H1 H 2 H 3 系统放热Qp 135.77 (278 268) 9940 123 (268 278)
9812.3 J
S环境＝ Q 9812.3 36.61J K -1 T 268
S孤立＝S系统＋S环境 ＝ 35.30 36.61＝1.31J K -1 0
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量，而退磁时从外界吸收热量从而达到制冷的目的。
磁化（放热） 去磁（吸热）
2、磁制冷特点 • • 结构紧凑、安全可靠、高效和环保 。被专家公认为高科 技绿色制冷技术。 氟利昂工质破坏环境，它的代替气体效率低、有毒性。
压缩制冷效率 约30% 热电制冷效率 约10% 磁制冷效率 30~60%
3、磁致冷技术的关键问题 (1) 磁工质的磁熵变 (2) 磁场强度的问题 寻找室温下低场下的巨磁熵变材料是关键
磁致冷性能的表征
1、绝热温跨
Tad
2、磁熵变
SM
磁介质体系麦克思 韦关系式