本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。如今，各种新奇的制冷方法走入到人们的生活中，风冷冰箱、半导体冰箱已不是新鲜事物。不过，如果我告诉你磁铁也能用来制冷，你会相信吗？今天，就让小编带大家走进神奇的微观世界，来看看磁铁制冷的奥秘吧~磁热效应与顺磁物质磁制冷是利用磁性物质的磁热效应来完成的。所谓磁热效应指的是物体的温度随它自身磁性变化而变化的效应。有一类物质叫顺磁物质，在外界磁场作用下，它们自身也会具备一定的磁性，使其内部也产生一定强度的磁场，并且这个新产生的磁场与外磁场方向一致，我们把这个过程称为磁化。一旦外界磁场消失，其内部的磁性也会随之消失，我们把这个过程称为去磁。磁铁吸引顺磁物体YouTube：BrainiacStudios顺磁物质之所以有这样的特性，是因为其内部的原子具有剩余磁矩。磁矩的概念听起来陌生，实际上很好理解，它是原子的一种性质，一旦原子带有磁矩，就变成了一块“小磁针”，当有外界磁场出现时，原子磁矩就会顺着磁场指。所以，我们可以形象地把顺磁物质看成由无数原子一样大的“小磁针”组成。当没有外磁场时，每个“小磁针”的指向几乎都不同，总体上看没有规律。顺磁固体内部就像一个小磁针阵列当存在一个外磁场时，每个小磁针在外磁场的作用下偏转，都齐刷刷地顺着磁场指向同一个方向。要知道小磁针本身也是一块磁铁，只不过它能产生的磁场小到可以忽略不计。不过，当所有小磁针指向同一个方向时，每个小磁针的磁场相互叠加，众人拾柴火焰高，使得总体上看产生了一个与外磁场同方向的新的磁场，即发生磁化。通常含有稀土元素的盐类都具有很好的顺磁性，比如钆盐就是性能优良的顺磁材料，被应用在工业、医疗等重要领域。通过施加和去除外界磁场，我们就可以很方便地改变这种物质的磁性，进而通过磁热效应控制它的温度。钆矿石YouTube：Thoisoi那么，磁热效应究竟是如何发生的，其内部又有什么科学原理呢？混乱与熵生活中我们都有这样的经历：如果屋子长时间不收拾，会变得越来越乱，其实物理学里也有一个描述混乱程度的量，叫做熵[shāng]。一个系统内部如果越混乱，熵就越大；越有序，熵就越小。我们刚刚介绍的顺磁物质具备两种熵，一个是磁熵，一个是热熵。磁熵很好理解，就是磁矩方向的有序性。如果顺磁物质内各个原子磁矩方向大体一致，即每个“小磁针”指的方向都差不多，那么该物质磁熵就较低。如果顺磁物质内各个原子磁矩方向几乎都不一样，每个“小磁针”各自指向不同的方向，那么该物质的磁熵就较高。热熵则和构成物质的分子或原子的热运动剧烈程度有关。我们知道，构成物质的分子或原子一直在做振动，物体的温度就越高，振动越剧烈，振动的方式越多样，同时分子或原子的排列就越随机，越无序，热熵也就越大。顺磁物质的总熵即为磁熵和热熵的总和，因此当顺磁物质的总熵改变时，可能是磁熵在改变，也可能是热熵在改变，还可能二者同时发生变化。即便顺磁的物质的总熵不变，我们也不能认为它的磁熵和热熵都不变，可能是二者中的一个增大，另一个相应地减小，但总量保持不变。而磁热效应便是用这种此消彼长的现象实现的。绝热去磁制冷了解了这么多背景知识后，我们来具体看看磁热效应发生的过程吧！要想发生磁热效应，首先要把顺磁物质严严实实地包裹起来，使它和外界不能有任何的热量交换，外面的热量进不来，里面的热量也散不出去，仅有磁场能自由出入，这在物理学里称为绝热过程。根据热力学原理，可逆绝热过程中系统的总熵不变。这就意味着，一旦顺磁物质被绝热，无论是给它施加磁场，让它磁化，还是撤掉磁场让它去磁，它的总熵都是不变的。虽然总熵不变，但是我们已经知道，顺磁物质的热熵和磁熵依然随着磁场在此消彼长地变化着。当对被绝热的顺磁物质施加磁场时，顺磁物质会被磁化，其内部磁矩整齐划一地指向同一个方向，磁熵降低。但由于绝热的作用，它的热熵会相应增高，使得总熵不变。当撤掉磁场时，顺磁物质退磁，其内部各个磁矩不再指向同一方向，再次回到混乱的状态，磁熵增大。但由于绝热的作用，它的热熵会相应降低，使总熵保持不变。说到这里，想必聪明的小伙伴已经看出门道了。利用绝热的效应，我们可以通过磁场控制热熵的增减，而热熵的增减恰恰对应着温度的高低。对顺磁物质绝热磁化时，热熵增高，顺磁物质内部原子的振动加剧，温度上升，对外放热，起到加热的效果。对顺磁物质绝热去磁时，热熵减小，顺磁物质内部原子的振动减弱，温度降低，起到制冷的作用，这便是磁热效应，利用这种效应，我们就能制成“磁冰箱”，为其他物体制冷。磁热效应看到这里，小伙伴们是不是觉得“绝热去磁制冷”没有那么高深莫测了呢？在这些专业名词与复杂概念的背后，不过是一场此消彼长的“跷跷板游戏”。“磁冰箱”的工作过程“磁冰箱”的原理虽然简单，但是要把一个抽象的物理原理变成可以为我们服务的设备，还是需要一番巧妙的构思的。下面，小编就带大家了解下最简单的环形绝热去磁机构。如上图，左侧为制冷区，待冷冻的物体放在这里；右侧为磁化区，有一个散热器。以钆盐为代表的顺磁固体在环形轨道上不断转动，交替往复地不停进出两个区域。当顺磁固体从磁场中快速转出时，可近似看作绝热去磁过程，此时顺磁固体的温度会降低。低温的顺磁固体靠近待制冷物体时，由于自身温度更低，会把热量从待制冷物体身上吸走，达到制冷的目的。随后，顺磁固体离开制冷区，再次回到磁场中，这时发生的是绝热磁化现象，因此顺磁固体的温度会升高。为了保证制冷效果，使装置正常运行，磁场区还需要加装一个散热器，把绝热磁化产生的多余的热量散发到外界，保证顺磁固体的温度不会太高。之后，顺磁固体再次脱离磁场，在绝热去磁效应的作用下降温，进入制冷区，完成下一次循环。无数个循环后，被制冷物体的热量会一次次被低温顺磁固体吸走，直到被制冷物体的温度下降到与绝热去磁后的低温顺磁固体一致。实际的磁制冷装置总体上看，顺磁固体就像一个专门运输热量的快递员，一次次地把被制冷物体的热量从制冷区输运到磁化区，磁化区的热量最终又被散热器一点点排出到外界空气中，以此实现了制冷。不过，这种环形运动的制冷机构虽然巧妙，但由于顺磁固体需要不断地来回转动，不可避免地会带来振动和噪音，这也是它一直没有被普及到千家万户的原因之一。改良的制冷装置，依然无法避免振动目前，这种磁制冷“冰箱”仅仅在某些工业领域和实验之中使用，造价也相对昂贵。不过小编相信，大家中的某人在未来也许会用更巧妙的设计，制造出没有振动、廉价又便利的磁制冷冰箱。期待大家的脑洞哦！
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