Термодинамічні засади та принципові схеми втілення так званої «магнітної» рефрижерації. Розкажіть більш-менш детально. Наведіть приклади практичного застосування.
Технологія магнітного охолодження грунтується на особливості будь-якого магнітного матеріала змінювати свою температуру та ентропію під дією магнітного поля. Ця зміна має назву магнетокалоричного ефекту (МКЕ). Він полягає у перерозподілі внутрішньої енергії магнітної речовини між системою магнітних моментів її атомів та кристалічною решіткою. Найбільшої величини МКЕ досягає у магнітовпорядкованих матеріалах (феромагнетики, антиферомагнетики, інш.) при температурах магнітних фазових переходів (=магнітного упорядкування – Кюрі, Неєля, інш.).
Головною перевагою приладів на МКЕ є висока щільність робочого тіла, через яку зміна ентропії на одиницю об’єму, а отже й ККД вищі за аналогічні показники парогазових. А розміри – навпаки набагато компактніші. Високий ККД є наслідком найдосконаліших з відомих умов теплопередачі на всіх етапах циклу. Технологія дозволяє отримувати набагато нижчі температури за 0.4К, що є границею для гелію, охолоджуваного відкачуванням парів.
Принцип: адіабатне розмагнічування полягає у 1) співорієнтації спінів у зовнішньому магнітному полі при сталій температурі, що забеспечує зменшення ентропії; 2) зняття поля – ентропія повинна залишитися постійною, тому для компенсації дизорієнтації системи спінів, температура матеріалу вимушена зменшуватись.
Установка: Пігулка парамагнітної солі висить на шовковій нитці. У камері газ Не, опускають у рідкий Не, і все це у рідкий азот чи водень. Включаємо магнітне поле на годину, зразок розігрівається (теплота намагнічування), проходить теплообмін з гелієм, температура вирівнюється, газ Не відкачують для створення теплоізоляційного вакууму, поле відключається й таблетка сама собою дуже сильно охолоджується.
Подібного роду тепловий процес можливий лише за низьких температур нижче 2-3К через теплові ефекти у решітці. Або необхідно використовувати матеріали з ентропією решітки значно меншою за ентропію магнітних диполів парамагнітного матеріалу.
Важлива
перевага магнітного рефрижератора –
він може працювати в умовах невагомості,
що дозволило використовувати його для
охолодження інфрачервоних болометрів
в космічних системах NASA.
Також на його основі вже було створено
перші прототипи побутових холодильників
з постійними магнітами. І вже деякий
час на ринку існують промислові
рефрижератори різної потужності на
принципі адіабатного розмагнічування.
Розкажіть як зробити багатостадійне охолодження за допомогою магнітного рефіржератора на парамагнітній солі та надпровідного магніту.
Адиабатическое размагничивание — метод получения температурниже 0,7 K
Магнитный рефрижератор – См. Вопрос № 7
Для получения низких температур обычно используется cжиженый газ. Снижая давление над свободной поверхностью жидкости, можно получить температуру ниже нормальной точки кипения этой жидкости. Например, откачкой паров азота можно добиться температуры до температуры тройной точки (63 K), откачкой паров водорода (над твёрдой фазой) можно добиться температуры 10 K, откачкой паров гелия можно добиться (при очень хороших условиях проведения эксперимента) температуры около 0,7 K.
В 1926 году Джиок и Дебай независимо друг от друга показали, что у парамагнитных веществ при достаточно низких температурах величина магнетокалорического эффекта должна быть большой, и что этот эффект можно использовать для получения низких температур. В первых экспериментах Джикока и Мак-Дугалла в 1933 г. была достигнута температура 0,25 K.
Общая информация
Метод основан на эффекте выделения теплоты из парамагнитных солей при их намагничивании и последующем поглощении теплоты при их размагничивании. Это позволяет получать температуры вплоть до 0,001 K.