磁制冷材料的磁熵变热力学研究

时间：2025-04-24

第25卷第2期No.2Vol.25内江师范学院学报

JOURNALOFNEIJIANGNORMALUNIVERSITY

#87#

磁制冷材料的磁熵变热力学研究

陈湘

(内江师范学院物理与电子信息工程学院, 四川内江 641100)

摘要:根据热力学知识,分别从磁制冷材料的内能和吉布斯自由能角度出发,比较详细地推导了表征磁制冷材料性能的一个重要指标)))磁熵变($SM),在等温条件下的理论表达式,研究表明采用两种不同的推导方法的结果是一致的.

关键词:磁制冷;磁熵变;热力学;磁热效应中图分类号:O469

文献标志码:A

文章编号:1671-1785(2010)02-0087-03

磁制冷是指以磁性材料为工质的一种新型的固体制冷

磁矩的取向是无规则(随机)的,此时其相应的熵较大.当磁制冷材料(磁工质)被磁化时,磁矩沿磁化方向择优取向(电子自旋系统趋于有序化),在等温条件下,该过程导致工质熵的下降,有序度增加,向外界等温排热;当磁场强度减弱,由于磁性原子或离子的热运动,其磁矩又趋于无序,在等温条件下,磁工质从外界吸热,就能达到制冷的目的.

技术.磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%~60%,远远高于传统气体压缩制冷和半导体制冷,另外磁制冷系统运动部件少、可靠性能高以及无环境污染,可以代替传统气体压缩制冷技术而被广泛用于民用、工业、航空以及国防等领域,因此磁制冷材料的研究和开发具有极其重要的意义[1-5].对磁制冷材料而言,磁熵变($SM)的大小是衡量材料性能的一个非常重要的指标,在加磁场和退磁场过程中,磁制冷材料熵的变化同该材料的温度变化是一致的,当熵变化较大时,温度变化也比较大,制冷效果也更明显.从热力学的角度看,当磁制冷材料在外力磁场作用时,它是一个热力学系统,其磁熵变大小可以热力学相关理论为基础进行严格推导.

2 磁熵变公式的热力学推导

2.1 推导方法1

根据热力学知识,当我们把受外磁场作用的磁制冷材料作为一个热力学系统时,其内能U是关于熵S和体积V的函数,即U=U(S,V)[8];而熵S又是关于温度T、磁化强度M和体积V的函数,即S=S(T,M,V).因此有

U=U(T,M,V).

为[9]:

dU=TdS+DA.

(2)

其中,dU是材料内能的变化;DA是外力所做的功,在此应为磁化功L0HdM与机械功-PdV之和;TdS是材料吸收的热量;T是绝对温度;dS是系统熵的变化.于是可将材料的热力学关系表示为:

dU=TdS+L0HdM-PdV.

(3)

由于一般而言磁制冷材料是固体,在热循环中不发生状态的变化,因此体积变化可以忽略不计,即dV=0,则U=U

(1)