Адиабатическое размагничивание парамагнетиков

Адиабатическое размагничивание или магнитно-калорический эффект реализуется в термомагнитных системах. При адиабатическом размагничивании парамагнитных веществ, также как при адиабатическом расширении газа, работа против внешних сил совершается за счет затраты внутренней энергии системы и поэтому приводит к резкому снижению температуры.

Для охлаждения этим способом парамагнитное вещество (обычно брусок парамагнитной соли) выдерживается при постоянной температуре в условиях глубокого вакуума, например, в ванне кипящего гелия. Вещество находится под действием сильного магнитного поля. При выключении поля происходит адиабатическое размагничивание, позволяющее охладить парамагнитное вещество до температуры, близкой к абсолютному нулю. В настоящее время созданы магнитные холодильные машины, использующие этот эффект для получения температур ниже 1К.

В настоящее время адиабатическое размагничивание используют для охлаждения до сверхнизких температур экспериментальных образцов в лабораторных условиях.

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

Термодинамические основы теории холодильных машин

Основные понятия и законы термодинамики

Искусственным охлаждением называется процесс переноса теплоты от тел с более низким температурным уровнем к телам с более высоким температурным уровнем за счет затраты внешней работы.

Назначение холодильной машины состоит в отводе теплоты от охлаждаемого объекта, имеющего низкую температуру, и передаче отведенной теплоты более теплой окружающей среде. Принцип действия холодильной машины определяется основными законами термодинамики.

Состояние любой термодинамической системы характеризуется следующими параметрами состояния: давлением, температурой, удельным объемом, внутренней энергией, энтальпией, энтропией. При изменении параметров состояния изменяется и состояние системы.

Давление, температура и удельный объем являются термическими параметрами системы, которые можно измерить. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия не могут быть измерены и являются расчетными параметрами.

Внутренняя энергия зависит только от внутреннего состояния системы и обусловлена энергией микрочастиц, входящих в составляющие системы, а также энергией взаимодействия между этими частицами.

Определение энтальпии следует из первого закона термодинамики. Первый закон устанавливает, что количество теплоты, прошедшее через контрольную поверхность термодинамической системы, затрачивается на изменение внутренней энергии и работу, совершенную системой. Энтальпия - это полная энергия рабочего вещества в открытой системе, т.е. энергетический параметр состояния вещества, определяемый из уравнения:

	(1)
где	U	-	внутренняя энергия вещества, Дж;
	Р	-	давление, Па;
	V	-	объем вещества, м3.

В термодинамике обычно используется удельная энтальпия, равная отношению энтальпии к массе вещества.

	(2)
где	u	-	удельная внутренняя энергия вещества, Дж/кг;
	v	-	удельный объем вещества, м3/кг.

Определение энтропии вытекает из второго закона термодинамики, который устанавливает, что перенос теплоты от системы с более низкой температурой к системе с более высокой температурой не может происходить самопроизвольно, а для его осуществления необходимо затратить механическую работу или эквивалентное количество другой энергии. Направление процесса теплообмена системы с окружающей средой, а также направление любых самопроизвольных процессов в изолированной системе характеризуется особым параметром состояния системы - энтропией.

Полный дифференциал энтропии определяется из выражения:

,	(3)
где	dQ	-	количество теплоты, участвующее в квазистатическом, т.е. обратимом процессе теплообмена, Дж;
	Т	-	абсолютная температура, при которой происходит процесс, К.

На практике про проведении расчетов пользуются понятием удельной энтропии, измеряемой в [Дж/(кг×К)]:

.

(4)

Как известно из термодинамики, перенос теплоты с низшего температурного уровня на высший сопровождается уменьшением энтропии и поэтому не может происходить самопроизвольно. Для того, чтобы осуществить такой процесс, его необходимо сочетать с другим процессом, протекающим с возрастанием энтропии, т.е. с затратой энергии, и компенсирующим уменьшение энтропии в процессе отвода тепла от среды с более низкой температурой.