磁熱效應(yīng)應(yīng)用

基于“磁熱效應(yīng)”（MCE）的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術(shù)的一種有希望的替代方法。在有這種效應(yīng)的材料中，施加和除去一個(gè)外加磁場時(shí)磁動(dòng)量的排列和隨機(jī)化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當(dāng)在上個(gè)世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時(shí)曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效應(yīng)的溫度范圍內(nèi)循環(huán)其磁化時(shí)，它會(huì)因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是，研究人員找到了克服這一問題的一個(gè)簡單方法。只是通過添加少量鐵，就可將磁滯現(xiàn)象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的制冷物質(zhì)，可在接近室溫的環(huán)境下應(yīng)用。

在日常生活中，我們通常使用空調(diào)、冰箱和冰柜來制冷，但它們都需要能量驅(qū)動(dòng)，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項(xiàng)依賴于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著降低這部分能耗。

大多數(shù)商業(yè)化制冷機(jī)，都是通過反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機(jī)的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個(gè)分子對(duì)大氣層的加熱效率要比一個(gè)二氧化碳分子至少高1 000倍。

美國宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人員正在研發(fā)一種不使用壓縮機(jī)，而是基于磁體的新型制冷機(jī)。從某種程度上來說，所有磁性材料都會(huì)在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動(dòng)貯存能量；而當(dāng)外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動(dòng)時(shí)，金屬原子的振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場后，溫度則會(huì)降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因?yàn)?，從理論上來說，只有在極低的溫度下使用超導(dǎo)磁體，才能將這種效應(yīng)最大化到產(chǎn)生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實(shí)驗(yàn)室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一種由釓、硅和鍺構(gòu)成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應(yīng)。自那時(shí)起，美國宇航公司還陸續(xù)把注意力集中在具有同樣性質(zhì)的其他合金上。

美國宇航公司正在設(shè)計(jì)一種空調(diào)，目標(biāo)是為面積約100平方米的公寓或住宅制冷。這種空調(diào)里有一個(gè)小而平的、由某種此類合金制成的多孔楔形體構(gòu)成的圓盤。在圓盤兩側(cè)，固定著一個(gè)環(huán)形永磁體。磁體中空，里面分布著強(qiáng)磁場。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)磁致熱楔形體會(huì)通過這個(gè)通道而升溫，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)出磁場范圍而冷卻。在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的液體被這些旋轉(zhuǎn)的楔形體反復(fù)加熱和冷卻，冷卻后的液體就能從房間中吸走熱量。精心設(shè)計(jì)的磁體能夠防止磁場從設(shè)備中溢出，所以它不會(huì)影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。

在傳統(tǒng)制冷機(jī)中，核心部件是壓縮機(jī)。而在磁體制冷機(jī)中，核心部件是帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，而馬達(dá)通常要比壓縮機(jī)的能量效率高得多。美國宇航公司的目標(biāo)是在2013年制造出一臺(tái)原型機(jī)，能在達(dá)到同樣制冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機(jī)還有一個(gè)額外的顯著優(yōu)點(diǎn)：它只是用水來輸送熱量，“你沒法找到比水更環(huán)保的材料了，”美國宇航公司技術(shù)中心經(jīng)理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)說。

但是別說把這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺(tái)原型機(jī)，也需要跨過許多障礙。首先，如何控制水流通過多孔的楔形體就是個(gè)棘手的問題，因?yàn)閳A盤要以每分鐘360~600轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金制成，因此，如果要想商業(yè)化生產(chǎn)，在仍能保持提供足夠強(qiáng)磁場的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(xué)(University of Victoria)的機(jī)械工程師安德魯·羅(Andrew Rowe)所說：“這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，但它有巨大的應(yīng)用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力?！?

研究人員還在試驗(yàn)其他一些特殊制冷技術(shù)。美國Sheetak公司，正在研發(fā)一種完全不使用制冷劑的制冷設(shè)備，它依賴于一種所謂的“熱電材料”(thermoelectric material)，基于帕爾特效應(yīng)開發(fā)的熱電半導(dǎo)體制冷芯片，接通直流電后，芯片的一面變冷，另一面變熱。不管怎樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會(huì)為我們帶來一個(gè)清涼的世界。

對(duì)于順磁介質(zhì),Ⅹ和K都是正數(shù),磁介質(zhì)的熱容CH也是正數(shù)，故有

可見，絕熱地減小磁場時(shí)，物質(zhì)的溫度將降低。這種現(xiàn)象叫做磁致冷效應(yīng)。利用絕熱去磁法獲得低溫，就是依據(jù)這一效應(yīng)。因?yàn)樵跊]有磁場時(shí)，各個(gè)磁活動(dòng)性離子的角動(dòng)量取向是混亂的,使得每摩爾分子的熵,除了點(diǎn)陣振動(dòng)所引起的部分外，又增加了一部分。若將磁介質(zhì)在溫度保持一定的情況下放入強(qiáng)磁場中，磁場將使所有離子的角動(dòng)量取能量較小的方向,因而減小了系統(tǒng)的熵,這時(shí)有熱量ΔQ=ΔS ×T流出磁介質(zhì)。若再絕熱地慢慢減小磁場,使整個(gè)過程為可逆過程，則系統(tǒng)的總熵保持不變，但過程中各離子角動(dòng)量取向引起的熵增加到原來的值，所以與點(diǎn)陣振動(dòng)相聯(lián)系的那部分熵必然減小，結(jié)果物質(zhì)被冷卻。絕熱去磁法是現(xiàn)代得到低溫的有效方法，可以得到約0.001K的低溫。

物質(zhì)的點(diǎn)陣振動(dòng)和磁矩取向都對(duì)系統(tǒng)的熵有貢獻(xiàn)，如先在等溫情形下加外磁場，物質(zhì)被磁化，分子磁矩趨向于一致的排列，對(duì)熵的貢獻(xiàn)減小，系統(tǒng)放出熱量；然后在絕熱條件下撤去外磁場，磁矩恢復(fù)為無規(guī)排列，相應(yīng)的熵增加，但由于是絕熱去磁，系統(tǒng)的總熵不變，磁矩的熵的增加是以點(diǎn)陣振動(dòng)的熵的減少作代價(jià)，這導(dǎo)致物質(zhì)的冷卻。絕熱去磁與絕熱去極化一樣可用來獲得低溫。

磁熱效應(yīng)是指在絕熱條件下磁性物質(zhì)被外磁場磁化時(shí)所發(fā)生的溫度變化。但狹義地應(yīng)用于鐵磁物質(zhì)時(shí)，磁熱效應(yīng)是指弱磁場或中等磁場磁化時(shí)因磁疇結(jié)構(gòu)變化，伴隨發(fā)生的溫度變化，而磁致溫差效應(yīng)則指加強(qiáng)磁場時(shí)由于自發(fā)磁化強(qiáng)度被強(qiáng)制增大，伴生的溫度變化。

磁化使磁性體內(nèi)平行的元磁體(如自旋)數(shù)量增多。結(jié)果，交換作用能和外磁場中的靜磁能降低. 由于磁化是在絕熱條件下進(jìn)行的，降低了的那部分能量必轉(zhuǎn)化為元磁體的熱能. 這些熱能又通過元磁體與點(diǎn)陣的耦合(如自旋-點(diǎn)陣或軌道-點(diǎn)陣)使整個(gè)磁性體的溫度上升。反之，絕熱地撤去磁場，平行排列的元磁體的數(shù)量將突然減小，因而元磁體的熱能減小，使磁性體變冷。

在弱磁場和中等磁場下，磁化過程通常包含疇壁位移過程和轉(zhuǎn)動(dòng)過程，分別又有可逆過程和不可逆過程之分，情況相當(dāng)復(fù)雜。所以，至今尚無完善的磁熱效應(yīng)理論來對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作深入的定量分析。

磁卡效應(yīng)（magnetocaloriceffect）順磁與鐵磁性物質(zhì)在外磁場的作用下，磁矩由雜亂變?yōu)橛行颍哟啪刂g及與外磁場之間的相互作用能降低，它的磁熵減小，排出熵的過程也就是放熱的過程。反之，在取消磁場的過程中，磁性物質(zhì)的磁矩由有序而變?yōu)殡s亂，從外界吸收能量，磁熵增加，在系統(tǒng)絕熱的情況下則磁性物質(zhì)本身降溫。這種由外磁場變化而引起磁性物質(zhì)放熱或吸熱的現(xiàn)象稱為磁卡效應(yīng)。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先觀察到， 當(dāng)磁化場突然增大到0.8～1.6MA/m時(shí)，鐵磁體 (Ni或Fe)的溫度將上升1～2℃。磁卡效應(yīng)產(chǎn)生的 原因是：設(shè)想當(dāng)鐵磁體被加熱時(shí)，各個(gè)原子的自旋將吸收一部分熱量使它們平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一強(qiáng)磁場使各個(gè)自旋平行排列的有序程度增加，則必然放出熱量，因?yàn)槭墙^熱過程，故磁體的溫度上升。由于磁卡效應(yīng)是通過自旋排列的有序程度變化而產(chǎn)生的，可知此效應(yīng)在居里點(diǎn)附近最為顯著，這是因?yàn)樵诰永稂c(diǎn)附近加一定磁場可使磁化強(qiáng)度有較大的增加。相反，如果在一定溫度下 突然去掉外加的磁化場，將使磁體的溫度下降。因 此利用這一效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)磁致冷。 2100433B

本詞條由上海辭書出版社《大辭?！吩诰€數(shù)據(jù)庫 提供內(nèi)容 。

電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)吸收電磁能而致熱的效應(yīng)。固體和液體介質(zhì),吸收電磁波的損耗比空氣大,損耗的能量大部分以熱的形式使介質(zhì)溫度升高。生物有機(jī)體的細(xì)胞和體液中排列混亂的極性分子,在電磁波照射下有趨向作用,發(fā)生頻率極高的振蕩運(yùn)動(dòng),為克服所在介質(zhì)的黏滯性,高頻振蕩運(yùn)動(dòng)消耗能量而發(fā)熱,使器官溫度升高,并引起一系列高溫生理反應(yīng),包括酸中毒、過度換氣、流淚、發(fā)汗、心血管反應(yīng)、抽搐等癥狀,甚至危及生命。

在等溫度過程中，體系吸的熱因過程不同，有反應(yīng)熱（如生成熱、燃燒熱、分解熱與中和熱）、相變熱（如蒸發(fā)熱、升華熱、熔化熱）、溶解熱（積分溶解熱、微分溶解熱）、稀釋熱等。根據(jù)等容、等壓等過程，熱效應(yīng)可分為等容熱效應(yīng)與等壓熱效應(yīng)。等容過程的熱效應(yīng)，稱等容熱效應(yīng)；等壓過程的稱等壓熱效應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)、相變過程等一般是在等壓條件下進(jìn)行的，故手冊(cè)中列出的有關(guān)數(shù)據(jù)，一般是等壓熱效應(yīng)。由于這些過程一般不伴隨其他功（只有體積功），等壓熱效應(yīng)就等于體系焓的增量，用符號(hào)△H表示。若為負(fù)值，表明過程放熱。這類數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)等領(lǐng)域。

電流熱效應(yīng)：簡單的說，電流通過導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)化成熱，這個(gè)現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。

生成熱

由穩(wěn)定單質(zhì)化合生成1mol化合物的恒壓反應(yīng)熱效應(yīng)，稱為該化合物的生成熱，又稱生成焓。規(guī)定所有溫度下最穩(wěn)定的單質(zhì)的焓值為零，所以由穩(wěn)定單質(zhì)生成化合物的反應(yīng)焓變即為該化合物的相對(duì)焓值-生成熱。為了進(jìn)行統(tǒng)一的計(jì)算和比較，往往用標(biāo)準(zhǔn)生成熱，即在指定溫度時(shí)，101325Pa下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol化合物時(shí)的反應(yīng)熱，就是該溫度時(shí)化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成熱。

燃燒熱

1mol物質(zhì)在指定條件下完全燃燒時(shí)的熱效應(yīng)稱為該物質(zhì)的燃燒熱。所謂完全燃燒是指產(chǎn)物處于穩(wěn)定的聚集狀態(tài)，如C變?yōu)镃O₂（g），H變?yōu)镠₂O（l），S變?yōu)镾O₂（g），N變?yōu)镹₂（g），Cl變?yōu)镠Cl水溶液等。物質(zhì)的燃燒熱可以由熱力學(xué)手冊(cè)查得，大多數(shù)手冊(cè)所列為25攝氏度、101325Pa下物質(zhì)的燃燒熱，稱為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱。

目前，人們對(duì)燃燒熱的利用已非常廣泛，最常見的為利用生活垃圾的燃燒熱來發(fā)電。隨著人類對(duì)已知能源的不斷開采利用，全球?qū)⒚媾R能源危機(jī)，但是發(fā)現(xiàn)的新資源海底可燃冰將為人類解決這一難題 。

離子的生成熱

對(duì)于有離子參加的反應(yīng)，如果能夠知道離子的生成熱，則離子反應(yīng)熱也可按照（3-22）、（3-23）求出。所謂離子生成熱是指在101325Pa和指定溫度下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1mol溶于無限大量水溶液中的相應(yīng)離子所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。但是，在一個(gè)反應(yīng)里正負(fù)離子總是同時(shí)存在，無法直接計(jì)算一種離子的生成熱，為此，必須建立一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，習(xí)慣上規(guī)定H （∞，aq）的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱為零。即：

1/2H₂（g）=H （∞，aq） e（H （∞，aq））=0

將其他離子與其比較，從而得到各離子的標(biāo)準(zhǔn)生成熱。

例如已知H₂（g） 1/2O₂（g）=H₂O（l）=-285.83kJ.mol^-1

H₂O（l）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）=55.84kJ.mol-1

則以上兩方程相加，得H₂（g） 1/2O₂（g）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）

=-285.83kJ.mol^-1 55.84kJ.mol^-1=-229.99kJ.mol^-1

由于（H （∞，aq））=0

所以1/2H₂（g） 1/2O₂（g）=OH^-（∞，aq）

=-229.99kJ.mol^-1這就是OH-離子的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱。

溶解熱

物質(zhì)溶解過程通常也伴隨著熱效應(yīng)，如硫酸、苛性鈉等物質(zhì)溶解于水中，產(chǎn)生放熱現(xiàn)象；而硝酸銨溶于水中則發(fā)生吸熱現(xiàn)象。這是由于形成溶液時(shí)，粒子間相互作用力與純物質(zhì)不同，發(fā)生能量變化，并以熱的形式與環(huán)境交換之故。物質(zhì)溶解過程所放出或吸收熱量的多少，與溫度、壓力等條件有關(guān)，如果不加注明，常常指25oC及101325Pa的條件。

1mol溶質(zhì)溶解于一定量溶劑中，形成某一濃度的溶液時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為該濃度溶液的積分溶解熱。由于溶解過程中溶液濃度不斷變化，因而積分溶解熱稱為變濃溶解熱。符號(hào)ΔHint。而1mol溶質(zhì)溶解于一定濃度的無限大量溶液中，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)稱為該溶質(zhì)在此濃度下的微分溶解熱，也叫定濃溶解熱，符號(hào)ΔHdiff。溶解熱單位J.mol-¹或kJ.mol^-1。

紅外熱效應(yīng)

電磁波的熱效應(yīng)通常是這樣解釋的：物質(zhì)內(nèi)部分子是呈中性，但帶有等量的正負(fù)電荷，在電場中會(huì)被極化，即正負(fù)電荷隨電場方向或反方向加速后分離至兩端，在化學(xué)中也稱作弛豫。

紅外線作為電磁波，在傳播中伴有交變電磁場，會(huì)使物質(zhì)的分子交替極化，導(dǎo)致大量分子的往復(fù)弛豫運(yùn)動(dòng)，這種分子在運(yùn)動(dòng)中就會(huì)發(fā)生碰撞并與物質(zhì)摩擦，就表現(xiàn)出了“熱”現(xiàn)象。微波爐就是利用這個(gè)原理工作的?？鞠溆眉t外線工作，穿透力比微波要差，所以不像微波爐那樣加熱內(nèi)部，可以把面包表面烤糊

另一當(dāng)面，紅外線（尤其是遠(yuǎn)紅外區(qū)）的振動(dòng)頻率更接近物質(zhì)的頻率更容易引起物質(zhì)的共振，所以熱效應(yīng)最顯著。