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其貌不揚(yáng)的外表，外熱內(nèi)冷的“心”，空調(diào)是夏日續(xù)命神器中當(dāng)之無(wú)愧的C位。

當(dāng)你汗流浹背時(shí),，空調(diào)中的壓縮機(jī)不斷地工作，空調(diào)為你送來(lái)絲絲涼意,，但也產(chǎn)生了嗡嗡的噪聲,，惹人心煩。

然而,，有一種制冷技術(shù)像“魔法”一樣,，在變化磁場(chǎng)下，能悄無(wú)聲息地降低溫度,，這就是磁制冷,。

磁制冷技術(shù)是一種獨(dú)特而有趣的冷卻方式，它能夠高效,、環(huán)保地為我們提供制冷效果,，在諸多領(lǐng)域有著極大潛力。今天,，讓我們一起揭開(kāi)磁制冷的神秘面紗,，來(lái)看看它是如何運(yùn)作的。

（圖源：素材中國(guó)）

磁制冷是基于磁熱效應(yīng)的一種制冷技術(shù),。你可以想象一塊磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下，溫度發(fā)生變化,，進(jìn)而產(chǎn)生冷量,。

那么，什么樣的材料才會(huì)有磁熱效應(yīng)呢,？

首先,，我們需要了解磁性材料的基本特點(diǎn)。從微觀角度來(lái)看,，磁性材料通常由許多微小的磁性顆粒組成,，每個(gè)顆粒內(nèi)部都存在一個(gè)磁矩，它是由電子的自旋和軌道角動(dòng)量決定的,。這些顆粒之間的排列常有四種狀態(tài),，對(duì)應(yīng)四種磁性：鐵磁性、亞鐵磁性,、順磁性和反鐵磁性,。

磁性材料分類(lèi)，作者自制

當(dāng)磁性材料被放置在外加磁場(chǎng)中時(shí),，磁矩會(huì)重新排列,，以適應(yīng)外加磁場(chǎng)的作用，這個(gè)重新排列過(guò)程稱(chēng)為磁矩取向,。

順磁性材料是具有自發(fā)磁矩的材料,，它們的磁矩總是沿著外加磁場(chǎng)方向取向。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí),，它對(duì)外呈現(xiàn)出順磁性,；在外加磁場(chǎng)作用下，它的磁矩沿著外加磁場(chǎng)有序排列,，對(duì)外呈現(xiàn)出鐵磁性,。

除了外加磁場(chǎng)，溫度也會(huì)使磁矩重新排列,，大部分磁性材料都是某一溫度點(diǎn)之下呈現(xiàn)鐵磁性或亞鐵磁性,，該溫度點(diǎn)以上呈現(xiàn)順磁性。上面提到的這個(gè)溫度點(diǎn)就是居里溫度（Tc）,，又稱(chēng)為磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn),，居里溫度點(diǎn)決定了磁性材料所能服役的溫區(qū)。不同的磁性材料有不同的居里溫度點(diǎn),，這使得磁制冷技術(shù)應(yīng)用十分廣泛,，從室溫到極低溫都有不同的應(yīng)用。

磁熱效應(yīng)究竟是如何發(fā)生的呢,？磁矩取向和熱效應(yīng)又有什么關(guān)系呢,？它們之間又蘊(yùn)含著什么科學(xué)原理呢？實(shí)際上,，磁矩的排列就像我們的房間一樣,，不常收拾就會(huì)變得越來(lái)越混亂，而在物理學(xué)里,，有一個(gè)用來(lái)度量體系混亂程度的物理量,，叫作熵。對(duì)于一個(gè)孤立系統(tǒng)而言，混亂程度越高,，熵越高,，反之熵越低。

熵與混亂程度,，圖源：千庫(kù)網(wǎng)

磁性材料主要有兩種熵：磁熵和熱熵,。磁熵是指磁矩的有序無(wú)序性；熱熵則是指組成物質(zhì)的分子或原子的振動(dòng)方式,，振動(dòng)方式越多,，越劇烈時(shí)，熱熵也就越大,。這兩個(gè)熵之和就是磁性材料的總熵,。總熵改變時(shí)，可能是磁熵或熱熵的改變,，也有可能兩者都在變化,；而總熵不變時(shí)，并不一定是磁熵和熱熵都不變,，有可能是一個(gè)增大,，一個(gè)減小。

磁熱效應(yīng)正是通過(guò)磁熵和熱熵之間的“此消彼長(zhǎng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。為了保持總熵不變,，磁熱材料需要處在一個(gè)絕熱環(huán)境中。絕熱環(huán)境就是整個(gè)系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換,，熱量進(jìn)不來(lái)也出不去,。此時(shí)，給磁性材料施加外磁場(chǎng)時(shí),，磁矩排列整齊,，磁熵減小，那么熱熵就會(huì)變大,，會(huì)放出熱量,；相反，去掉磁場(chǎng)時(shí),，熱熵減小,，需要吸收熱量，這時(shí)就起到了制冷的效果,。聽(tīng)起來(lái)高深莫測(cè)的磁制冷,，不過(guò)是此消彼長(zhǎng)的“蹺蹺板游戲”而已。

磁熱效應(yīng)原理,，作者自制

磁制冷的基本原理雖然簡(jiǎn)單,，但要將這個(gè)原理設(shè)計(jì)成服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備,，還是需要一番巧妙的構(gòu)思的。

為了實(shí)現(xiàn)磁制冷過(guò)程,，需要使用到磁性材料,、磁場(chǎng)源和熱交換器等組件。

首先,，在絕熱環(huán)境下,，施加外加磁場(chǎng)會(huì)使磁性材料發(fā)生磁矩取向變化，并釋放熱量,，隨后，熱量會(huì)通過(guò)熱交換器從散熱器排出,；去除磁場(chǎng)時(shí),，磁性材料溫度降低，與被制冷的物體相比,，磁性材料溫度更低,，因此磁性材料會(huì)吸收被制冷物體中的熱量，使其溫度降低,。這樣循環(huán)往復(fù),，就使熱量流動(dòng)形成了一個(gè)閉環(huán)。一次次的循環(huán)往復(fù),，使得被制冷物體的熱量不斷被吸走,，達(dá)到了制冷的效果。

磁制冷系統(tǒng)原理圖,，作者自制

在實(shí)際應(yīng)用中,，磁制冷具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

1）綠色環(huán)保。磁制冷不需要使用任何對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì),，這與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷方式存在著顯著的差異,，傳統(tǒng)方式需要利用制冷劑來(lái)吸收和釋放熱量，這些制冷劑中包含一些有機(jī)氟化物,、氨及碳?xì)浠衔?，他們有著破壞臭氧層、有毒,、易泄漏,、易燃、易爆等損害環(huán)境的缺陷,；

2）高效節(jié)能,。磁制冷系統(tǒng)通過(guò)磁場(chǎng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻，而不是像傳統(tǒng)方式通過(guò)機(jī)械壓縮氣體,。這意味著磁制冷可以在非常低的溫度下運(yùn)行,，并且消耗的能量較少,。磁制冷理論效率可達(dá)到卡諾循環(huán)效率的60～70％，而氣體壓縮制冷一般為 20～40％,。也就是說(shuō),，在其他條件相同的情況下，磁制冷的耗電量只有傳統(tǒng)壓縮制冷冰箱的50%左右,；

3）穩(wěn)定可靠,。磁制冷不需要?dú)怏w壓縮機(jī)，運(yùn)動(dòng)部件少,，無(wú)振動(dòng),，零噪聲，可靠性高,，壽命長(zhǎng),，便于維修；

正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn),，磁制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天,、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域,。根據(jù)應(yīng)用溫區(qū),，磁制冷主要應(yīng)用于極低溫溫區(qū)（＜1 K，如量子計(jì)算等）,、低溫區(qū)（如核磁共振成像,、氣體液化等）和室溫區(qū)（如空調(diào)、冰箱等）,。

磁制冷的應(yīng)用,，作者自制

目前，我國(guó)制冷空調(diào)行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值超過(guò)10000億元,，且制冷用電量超過(guò)全國(guó)總用電量的15%,，是當(dāng)之無(wú)愧的能耗大戶(hù)。當(dāng)前廣泛使用的制冷劑大多具有較大的溫室效應(yīng),，制冷劑泄漏導(dǎo)致的排放是我國(guó)溫室氣體的重要組成部分,。而現(xiàn)在，制冷空調(diào)行業(yè)正處于落實(shí)《綠色高效制冷行動(dòng)方案》,、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的關(guān)鍵時(shí)期,。磁制冷作為一種零碳能源制冷技術(shù)，綠色環(huán)保,、高效節(jié)能,、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)使其有望成為替代室溫蒸氣壓縮制冷技術(shù)的方案之一。

隨著空間探測(cè)等前沿科學(xué)應(yīng)用需求增加，極低溫絕熱去磁制冷憑借不依賴(lài)重力,、結(jié)構(gòu)緊湊,、制冷效率高等優(yōu)點(diǎn)成為了空間探測(cè)、量子技術(shù),、凝聚態(tài)物理等前沿科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù),。

沈俊教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了自主可控絕熱去磁樣機(jī)研制工作，構(gòu)建了復(fù)疊式ADR（絕熱去磁制冷）,，獲得了50 mK以下的最低溫度,。

低溫磁制冷起步較晚，當(dāng)前還集中在磁熱材料成分調(diào)控磁熱性能的研究中,，整機(jī)流程和架構(gòu)研究相對(duì)較少。由于磁熱材料的絕熱溫變受限,，在液氦溫區(qū)通常將磁制冷與其他制冷技術(shù)相結(jié)合,，構(gòu)建了復(fù)合式低溫磁制冷機(jī)。室溫磁制冷技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,，2017年起,，沈俊研究團(tuán)隊(duì)先后研制出系列冷量的室溫樣機(jī)，包括達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的百瓦級(jí)冷量磁制冷樣機(jī),。

雖然已經(jīng)有了許多磁制冷設(shè)備,，但目前這些設(shè)備僅在某些工業(yè)領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室中使用,，造價(jià)也比較昂貴，這說(shuō)明磁制冷技術(shù)要想走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù),，還面臨著一些挑戰(zhàn),。

在磁制冷應(yīng)用研究中，需要材料科學(xué)與工程,、工程熱物理和制冷工程等多學(xué)科的交叉互補(bǔ)和協(xié)同創(chuàng)新,。當(dāng)前阻礙磁制冷商業(yè)化主要有兩個(gè)方面的原因：

一是磁制冷材料常為稀土金屬化合物，生產(chǎn)成本高,，價(jià)格昂貴,，即使是在稀土資源豐富的中國(guó)，也很難將整個(gè)磁制冷機(jī)的造價(jià)降低到和壓縮制冷機(jī)媲美,；

二是當(dāng)前磁路設(shè)計(jì)很難將整個(gè)裝置在保證制冷效果的前提下縮小到家用的尺寸,。

除此之外,，雖然磁制冷裝置中沒(méi)有壓縮機(jī)，但實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)有永磁磁體或磁性材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng),，不可避免地會(huì)產(chǎn)生輕微的噪聲和振動(dòng),。

然而，這些都是可以克服的問(wèn)題,，隨著科技的不斷進(jìn)步,，科研工作人員的辛苦奮斗，我們有理由相信磁制冷技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,，它將會(huì)成為未來(lái)制冷領(lǐng)域的一大利器,。