磁鐵也能製冷?未來會出現磁冰箱嗎?

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

如今，各種新奇的製冷方法走入到人們的生活中，風冷冰箱、半導體冰箱已不是新鮮事物。

不過，如果我告訴你磁鐵也能用來製冷，你會相信嗎？

今天，就讓小編帶大家走進神奇的微觀世界，來看看磁鐵製冷的奧秘吧~

磁熱效應與順磁物質

磁製冷是利用磁性物質的磁熱效應來完成的。所謂磁熱效應指的是物體的溫度隨它自身磁性變化而變化的效應。

有一類物質叫順磁物質，在外界磁場作用下，它們自身也會具備一定的磁性，使其內部也產生一定強度的磁場，並且這個新產生的磁場與外磁場方向一致，我們把這個過程稱為磁化。

一旦外界磁場消失，其內部的磁性也會隨之消失，我們把這個過程稱為去磁。

磁鐵吸引順磁物體

YouTube：Brainiac Studios

順磁物質之所以有這樣的特性，是因為其內部的原子具有剩餘磁矩。

磁矩的概念聽起來陌生，實際上很好理解，它是原子的一種性質，一旦原子帶有磁矩，就變成了一塊「小磁針」，當有外界磁場出現時，原子磁矩就會順著磁場指。

所以，我們可以形象地把順磁物質看成由無數原子一樣大的「小磁針」組成。當沒有外磁場時，每個「小磁針」的指向幾乎都不同，總體上看沒有規律。

順磁固體內部就像一個小磁針陣列

當存在一個外磁場時，每個小磁針在外磁場的作用下偏轉，都齊刷刷地順著磁場指向同一個方向。

要知道小磁針本身也是一塊磁鐵，只不過它能產生的磁場小到可以忽略不計。

不過，當所有小磁針指向同一個方向時，每個小磁針的磁場相互疊加，眾人拾柴火焰高，使得總體上看產生了一個與外磁場同方向的新的磁場，即發生磁化。

通常含有稀土元素的鹽類都具有很好的順磁性，比如釓鹽就是性能優良的順磁材料，被應用在工業、醫療等重要領域。

通過施加和去除外界磁場，我們就可以很方便地改變這種物質的磁性，進而通過磁熱效應控制它的溫度。

釓礦石

YouTube：Thoisoi

那麼，磁熱效應究竟是如何發生的，其內部又有什麼科學原理呢？

混亂與熵

生活中我們都有這樣的經歷：如果屋子長時間不收拾，會變得越來越亂，其實物理學裡也有一個描述混亂程度的量，叫做熵[shāng]。

一個系統內部如果越混亂，熵就越大；越有序，熵就越小。

我們剛剛介紹的順磁物質具備兩種熵，一個是磁熵，一個是熱熵。磁熵很好理解，就是磁矩方向的有序性。

如果順磁物質內各個原子磁矩方向大體一致，即每個「小磁針」指的方向都差不多，那麼該物質磁熵就較低。

如果順磁物質內各個原子磁矩方向幾乎都不一樣，每個「小磁針」各自指向不同的方向，那麼該物質的磁熵就較高。

熱熵則和構成物質的分子或原子的熱運動劇烈程度有關。

我們知道，構成物質的分子或原子一直在做振動，物體的溫度就越高，振動越劇烈，振動的方式越多樣，同時分子或原子的排列就越隨機，越無序，熱熵也就越大。

順磁物質的總熵即為磁熵和熱熵的總和，因此當順磁物質的總熵改變時，可能是磁熵在改變，也可能是熱熵在改變，還可能二者同時發生變化。

即便順磁的物質的總熵不變，我們也不能認為它的磁熵和熱熵都不變，可能是二者中的一個增大，另一個相應地減小，但總量保持不變。而磁熱效應便是用這種此消彼長的現象實現的。

絕熱去磁製冷

了解了這麼多背景知識後，我們來具體看看磁熱效應發生的過程吧！

要想發生磁熱效應，首先要把順磁物質嚴嚴實實地包裹起來，使它和外界不能有任何的熱量交換，外面的熱量進不來，裡面的熱量也散不出去，僅有磁場能自由出入，這在物理學裡稱為絕熱過程。

根據熱力學原理，可逆絕熱過程中系統的總熵不變。這就意味著，一旦順磁物質被絕熱，無論是給它施加磁場，讓它磁化，還是撤掉磁場讓它去磁，它的總熵都是不變的。

雖然總熵不變，但是我們已經知道，順磁物質的熱熵和磁熵依然隨著磁場在此消彼長地變化著。

當對被絕熱的順磁物質施加磁場時，順磁物質會被磁化，其內部磁矩整齊劃一地指向同一個方向，磁熵降低。但由於絕熱的作用，它的熱熵會相應增高，使得總熵不變。

當撤掉磁場時，順磁物質退磁，其內部各個磁矩不再指向同一方向，再次回到混亂的狀態，磁熵增大。但由於絕熱的作用，它的熱熵會相應降低，使總熵保持不變。

說到這裡，想必聰明的小夥伴已經看出門道了。利用絕熱的效應，我們可以通過磁場控制熱熵的增減，而熱熵的增減恰恰對應著溫度的高低。

對順磁物質絕熱磁化時，熱熵增高，順磁物質內部原子的振動加劇，溫度上升，對外放熱，起到加熱的效果。

對順磁物質絕熱去磁時，熱熵減小，順磁物質內部原子的振動減弱，溫度降低，起到製冷的作用，這便是磁熱效應，利用這種效應，我們就能製成「磁冰箱」，為其他物體製冷。

磁熱效應

看到這裡，小夥伴們是不是覺得「絕熱去磁製冷」沒有那麼高深莫測了呢？在這些專業名詞與複雜概念的背後，不過是一場此消彼長的「蹺蹺板遊戲」。

「磁冰箱」的工作過程

「磁冰箱」的原理雖然簡單，但是要把一個抽象的物理原理變成可以為我們服務的設備，還是需要一番巧妙的構思的。

下面，小編就帶大家了解下最簡單的環形絕熱去磁機構。

如上圖，左側為製冷區，待冷凍的物體放在這裡；右側為磁化區，有一個散熱器。以釓鹽為代表的順磁固體在環形軌道上不斷轉動，交替往復地不停進出兩個區域。

當順磁固體從磁場中快速轉出時，可近似看作絕熱去磁過程，此時順磁固體的溫度會降低。

低溫的順磁固體靠近待製冷物體時，由於自身溫度更低，會把熱量從待製冷物體身上吸走，達到製冷的目的。

隨後，順磁固體離開製冷區，再次回到磁場中，這時發生的是絕熱磁化現象，因此順磁固體的溫度會升高。

為了保證製冷效果，使裝置正常運行，磁場區還需要加裝一個散熱器，把絕熱磁化產生的多餘的熱量散發到外界，保證順磁固體的溫度不會太高。

之後，順磁固體再次脫離磁場，在絕熱去磁效應的作用下降溫，進入製冷區，完成下一次循環。

無數個循環後，被製冷物體的熱量會一次次被低溫順磁固體吸走，直到被製冷物體的溫度下降到與絕熱去磁後的低溫順磁固體一致。

實際的磁製冷裝置

總體上看，順磁固體就像一個專門運輸熱量的快遞員，一次次地把被製冷物體的熱量從製冷區輸運到磁化區，磁化區的熱量最終又被散熱器一點點排出到外界空氣中，以此實現了製冷。

不過，這種環形運動的制冷機構雖然巧妙，但由於順磁固體需要不斷地來迴轉動，不可避免地會帶來振動和噪音，這也是它一直沒有被普及到千家萬戶的原因之一。

改良的製冷裝置，依然無法避免振動

目前，這種磁製冷「冰箱」僅僅在某些工業領域和實驗之中使用，造價也相對昂貴。

不過小編相信，大家中的某人在未來也許會用更巧妙的設計，製造出沒有振動、廉價又便利的磁製冷冰箱。期待大家的腦洞哦！