Geladeira com sistema de refrigeração magnética. Geladeira com resfriamento magnético: princípio de funcionamento

A história das ligas de Heusler começou em 1898, quando o físico alemão Friedrich Geisler descobriu um padrão interessante: a liga de Mn, Cu e Sn não magnéticos levou ao aparecimento de propriedades ferromagnéticas, ou seja, a liga foi atraída por um ímã . Subseqüentemente este recurso também foi encontrado em outras ligas com um Fórmula química X2YZ. O mais interessante para aplicações práticas é a liga Heusler Ni2MnGa. Este composto intermetálico apresenta efeitos de memória de forma e superelasticidade, e suas propriedades magnéticas pronunciadas tornam possível controlar esses efeitos usando campo magnético, até a mudança na forma de um objeto de liga diante de nossos olhos quando um ímã é trazido até ele (!).

A memória de forma e a superelasticidade são devidas à presença de uma transformação de fase especial chamada martensítica. Em ligas ferromagnéticas com memória de forma, o campo magnético afeta os parâmetros da fase martensítica devido à interação magnetoelástica.

Os refrigeradores domésticos convencionais baseiam-se no princípio da compressão. O refrigerante é forçado sob forte pressão para dentro do evaporador, que está localizado dentro da câmara de refrigeração. No momento de retornar pressão normal o líquido se transforma em vapor, retirando calor do ambiente externo.

Esses refrigeradores apresentam uma série de desvantagens: o sistema de refrigeração exige muito espaço, faz barulho, consome muita energia elétrica e requer descarte especial (os freons são usados como refrigerante e, quando liberados na atmosfera, essas substâncias destroem o ozônio camada). É por isso que hoje os cientistas em países diferentes estão trabalhando na criação de geladeiras magnéticas.

Esses dispositivos funcionarão graças ao efeito magnetocalórico: sob certas condições, algumas substâncias podem aquecer quando um campo magnético é ligado, e desligar o campo magnético leva ao seu resfriamento acentuado.

Já existem os primeiros modelos de refrigeradores magnéticos, nos quais o gadolínio é utilizado como substância de trabalho, mas ainda não foram amplamente utilizados devido à eficiência insuficiente e ao alto custo do Gd. Portanto, hoje precisamos de métodos para criar novos materiais com efeito magnetocalórico e formas de avaliar com precisão suas propriedades.

Alguns dos materiais promissores para a criação de tais refrigeradores são alguns representantes da família de ligas Heusler. Atualmente são conhecidos mais de 1.500 compostos intermetálicos que pertencem a esta família. Junto com o efeito magnetocalórico, as ligas Heusler exibem uma série de outras propriedades interessantes: 100% de polarização de spin, propriedades de isolantes topológicos, uma sequência anômala de transições magnéticas, onde quando a liga é aquecida, ela passa de um estado não magnético para um estado não magnético. magnético (nos ferromagnetos “clássicos”, o aquecimento destrói o ordenamento ferromagnético e a uma certa temperatura, chamada de ponto Curie, o ferromagneto torna-se não magnético).

Vladimir Sokolovsky e Dr. Khovaylo estão trabalhando em pesquisa teórica transformações de fases (magnéticas, estruturais, magnetoestruturais acopladas), propriedades magnéticas, estruturais e termofísicas de ligas Heusler mono e policristalinas com efeito de memória de forma Ni-Mn-X e Ni-Mn-X-Y (X = Ga, In, Sn, Sb e Y = Fe, Cu, Co, Cr) usando primeiros princípios e métodos de Monte Carlo.

As ligas de Heusler são materiais promissores não apenas para refrigeradores magnéticos, mas também para o desenvolvimento de dispositivos de energia em miniatura, manipuladores e em spintrônica - para a criação de elementos de armazenamento de informações.

A tarefa de criar um refrigerador compacto, ecologicamente correto, energeticamente eficiente e altamente confiável, operando na faixa de temperatura ambiente, é extremamente relevante na atualidade. Isto se deve a uma série de reclamações sérias sobre os atuais sistemas de refrigeração. Sabe-se, em particular, que durante o funcionamento dos gases de trabalho (refrigerantes) actualmente utilizados são possíveis fugas, causando graves danos problemas ecológicos como a destruição da camada de ozono e aquecimento global. Entre as diversas tecnologias alternativas que poderiam ser utilizadas em dispositivos de refrigeração, a tecnologia de refrigeração magnética está atraindo cada vez mais a atenção de pesquisadores de todo o mundo. Trabalho intensivo de resfriamento magnético está sendo realizado em muitos laboratórios e universidades na Europa, nos EUA, no Canadá, na China e na Rússia. O refrigerador magnético é ecologicamente correto e pode reduzir significativamente o consumo de energia. A última circunstância é extremamente importante dado o número verdadeiramente enorme de unidades de refrigeração utilizadas pelo homem nas mais diversas áreas da sua atividade.

A tecnologia de refrigeração magnética baseia-se na capacidade de qualquer material magnético alterar sua temperatura e entropia sob a influência de um campo magnético, como ocorre quando gás ou vapor é comprimido ou expandido em refrigeradores tradicionais. Essa mudança na temperatura ou entropia de um material magnético quando a força do campo magnético no qual ele está localizado muda é chamada de efeito magnetocalórico (MCE). Uma mudança na temperatura de um material magnético ocorre como resultado da redistribuição da energia interna de uma substância magnética entre o sistema de momentos magnéticos de seus átomos e a rede cristalina. O MCE atinge seu valor máximo em materiais ordenados magneticamente, como ferromagnetos, antiferromagnetos, etc., em temperaturas de transições de fase magnéticas (temperaturas de ordenação magnética - Curie, Néel, etc.). A principal vantagem dos dispositivos de resfriamento magnético está associada à alta densidade do material - um sólido - em comparação com a densidade do vapor ou gás. A mudança na entropia por unidade de volume em materiais magnéticos sólidos é 7 vezes maior do que no gás. Isso torna possível fabricar refrigeradores muito mais compactos usando material magnético como fluido de trabalho. O próprio fluido de trabalho magnético serve como um análogo dos refrigerantes usados nas unidades tradicionais de refrigeração a vapor-gás, e o processo de desmagnetização-magnetização é um análogo dos ciclos de compressão-expansão.

A eficiência de um refrigerador é determinada principalmente pela quantidade de trabalho irreversível realizado durante o ciclo – para dispositivos eficientes, esta deve ser a mais baixa possível. Em um refrigerador a gás, existem dispositivos que produzem uma quantidade significativa de trabalho irreversível - são o regenerador, o compressor e os trocadores de calor. Uma parte significativa do trabalho irreversível é realizada em trocadores de calor - é diretamente proporcional à mudança adiabática na temperatura do fluido de trabalho, que é muito maior em um gás do que em um material magnético. Por esta razão, a remoção de calor mais eficiente ocorre em um ciclo de refrigeração magnética, especialmente regenerativo. O design especial do trocador de calor e a utilização de um regenerador com grande área superficial permitem obter uma pequena proporção de trabalho irreversível durante o resfriamento magnético. De acordo com estimativas teóricas, a eficiência de um ciclo de refrigeração regenerativo magnético na faixa de temperatura de 4,5 a 300 K pode variar de 38 a 60% da eficiência do ciclo de Carnot (cerca de 52% na faixa de temperatura de 20 a 150 K, e cerca de 85% na faixa de 150 a 300 K). Ao mesmo tempo, em todas as fases do ciclo, as condições de transferência de calor serão as mais perfeitas conhecidas. Além disso, os refrigeradores magnéticos possuem poucas peças móveis e operam em baixas frequências, o que minimiza o desgaste do refrigerador e prolonga sua vida útil.

Cronologia do problema. Princípios básicos de resfriamento magnético

O FEM foi descoberto há relativamente tempo (em 1881) por E. Warburg. Warburg observou como uma amostra de ferro era aquecida ou resfriada sob a influência de um campo magnético. O cientista concluiu que a mudança na temperatura da amostra é consequência da mudança na energia interna de uma substância com estrutura magnética sob a influência de um campo. Porém, antes uso pratico esse fenômeno ainda estava longe. Langevin (1905) foi o primeiro a demonstrar que uma mudança na magnetização de um material paramagnético leva a uma mudança reversível na temperatura da amostra.

O próprio resfriamento magnético foi proposto quase 50 anos após a descoberta do FEM de forma independente por dois cientistas americanos Peter Debye (1926) e William Giauque (1927) como uma forma de atingir temperaturas abaixo do ponto de ebulição do hélio líquido. Gioc e McDougall foram os primeiros a demonstrar um experimento rudimentar de refrigeração magnética em 1933. (Um pouco mais tarde, isso também foi feito por de Haas (1933) e Kurti (1934). Durante este experimento, foi possível atingir uma temperatura de 0,25 K, e hélio líquido bombeado a uma temperatura de 1,5 K foi usado como calor - a substância removedora com sal magnético estava em estado de equilíbrio térmico com a substância dissipadora de calor enquanto existisse um forte campo magnético no solenóide, e quando o solenóide foi descarregado, o comprimido magnético foi isolado termicamente e sua temperatura diminuiu. Esta técnica, chamada de resfriamento por desmagnetização adiabática, é uma técnica laboratorial padrão usada para obter super. Baixas temperaturas. No entanto, a potência de tal refrigerador e sua faixa de temperatura operacional são muito pequenas para aplicações industriais.

Métodos mais complexos, incluindo regeneração térmica e mudanças cíclicas no campo magnético, foram propostos na década de 60 do século passado. J. Brown da NASA em 1976 demonstrou um refrigerador magnético regenerativo operando já próximo à temperatura ambiente com uma faixa de temperatura operacional de 50 K. A potência do refrigerador e sua eficiência neste caso também eram baixas, uma vez que o gradiente de temperatura tinha que ser mantido por misturar o fluido de remoção de calor e o tempo necessário para carregar e descarregar o ímã foi muito longo. Pequenos dispositivos de refrigeração de baixa potência foram construídos nas décadas de 80 e 90 em vários centros de pesquisa: Laboratório Nacional de Los Alamos, Laboratório da Marinha em Annapolis, Laboratório Nacional de Oak Ridge, Astronáutica (todos os EUA), Toshiba (Japão).

Atualmente, o trabalho em pequenos refrigeradores magnéticos para aplicações espaciais, operando segundo o princípio da desmagnetização adiabática, é financiado por diversos centros de pesquisa da NASA. A pesquisa sobre as possibilidades de refrigeradores magnéticos para aplicações comerciais está sendo conduzida pela Astronautics Corporation of America (EUA, Wisconsin) e pela Universidade de Victoria (Canadá). O estudo de materiais para fluidos de trabalho de refrigeradores magnéticos do ponto de vista aplicado está atualmente sendo intensamente estudado pelo Laboratório Ames (Ames, Iowa), pela Universidade Three Rivers em Quebec (Canadá), pelo NIST (Gathersburg, MD) e pela empresa “ Consultoria e tecnologias magnéticas avançadas” (AMT&C).

Em 1997, a Astronautics Corporation of America demonstrou um refrigerador magnético relativamente poderoso (600 Watts) operando próximo à temperatura ambiente. A eficiência deste refrigerador já era comparável à dos refrigeradores freon convencionais. Utilizando um regenerador magnético ativo (este dispositivo combina as funções de um regenerador térmico e de um fluido de trabalho), este refrigerador funcionou por mais de 1.500 horas, proporcionando uma faixa de temperatura operacional de 10 K próximo à temperatura ambiente, uma potência de 600 watts, uma eficiência de cerca de 35% em relação ao ciclo de Carnot com uma mudança no campo magnético de 5 Tesla. O dispositivo descrito utilizou um solenóide supercondutor, e o metal de terras raras gadolínio (Gd) foi utilizado como fluido de trabalho. O gadolínio puro foi utilizado nesta capacidade não só pela Astronáutica, mas também pela NASA, Marinha e outros laboratórios, devido às suas propriedades magnéticas, nomeadamente, uma temperatura Curie adequada (cerca de 20 ° C) e um efeito magnetocalórico bastante significativo.

A magnitude do MCE e, portanto, a eficiência do processo de resfriamento em um refrigerador magnético, é determinada pelas propriedades dos fluidos de trabalho magnéticos. Em 1997, o Laboratório Ames relatou a descoberta de um efeito magnetocalórico gigante em compostos Gd5(SiхGe1-x)4. A temperatura de ordenação magnética desses materiais pode variar amplamente de 20 K até a temperatura ambiente devido a mudanças na proporção do teor de silício (Si) e germânio (Ge). O metal gadolínio, uma série de compostos intermetálicos baseados em elementos de terras raras, o sistema de compostos silicieto-germaneto Gd5(Ge-Si)4, bem como La(Fe-Si)13 são atualmente considerados os mais promissores para uso como trabalho. fluidos. A utilização desses materiais permite ampliar a faixa de temperatura de operação do refrigerador e melhorar significativamente seu desempenho econômico.

Observe, entretanto, que o trabalho pioneiro na busca de ligas eficazes para fluidos de trabalho de refrigeradores magnéticos foi realizado vários anos antes na Faculdade de Física da Universidade de Moscou. Os resultados mais completos desses estudos são apresentados na dissertação de doutorado do principal pesquisador da Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou, A. M. Tishin, em 1994. Este trabalho analisou inúmeras combinações possíveis de terras raras, metais magnéticos e outros materiais, a fim de encontrar ligas ideais para implementar o resfriamento magnético em diferentes faixas de temperatura. Verificou-se, em particular, que entre os materiais com altas propriedades magnetocalóricas, o composto Fe49Rh51 (uma liga de ferro com ródio) tem o maior efeito magnetocalórico específico (ou seja, por unidade de campo magnético). O valor específico de MCE para este composto é várias vezes maior do que nos compostos de silicieto-germaneto. Esta liga não pode ser utilizada na prática devido ao seu alto custo, bem como aos significativos efeitos de histerese nela contidos, porém, pode servir como uma espécie de padrão com o qual as propriedades magnetocalóricas dos materiais em estudo devem ser comparadas.

Finalmente, em janeiro deste ano, a revista Science News (v.161, n.1, p.4, 2002) noticiou a criação nos Estados Unidos da primeira casa do mundo (ou seja, aplicável não apenas para fins científicos, mas também para uso diário) geladeira. Um modelo funcional de tal refrigerador foi fabricado em conjunto pela Astronautics Corporation of America e pelo Laboratório Ames e foi demonstrado pela primeira vez na conferência G8 em Detroit em maio de 2002. Um protótipo funcional do refrigerador magnético doméstico proposto opera em temperatura ambiente e usa um ímã permanente como fonte de campo. Falando sobre esta conquista revolucionária, o professor Karl Schneidner do Laboratório Ames disse: "Estamos testemunhando um evento histórico no desenvolvimento da tecnologia. Dispositivos de refrigeração magnética demonstrados anteriormente usavam grandes ímãs supercondutores, mas este novo refrigerador magnético é o primeiro a usar um permanente ímã que não requer resfriamento." .

O aparelho foi muito elogiado por especialistas e pelo Secretário de Energia dos EUA. Estimativas mostram que o uso de refrigeradores magnéticos reduzirá o consumo geral de energia nos Estados Unidos em 5%. Está previsto que o resfriamento magnético possa ser usado em uma ampla variedade de áreas da atividade humana - em particular, em liquefeitores de hidrogênio, dispositivos de resfriamento para computadores de alta velocidade e dispositivos baseados em SQUID, condicionadores de ar para uso residencial e instalações de produção, sistemas de refrigeração para Veículo, em refrigeradores domésticos e industriais, etc. Deve-se notar que o trabalho em dispositivos de refrigeração magnética foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA durante 20 anos.

Projeto de geladeira.

O protótipo de refrigerador magnético criado utiliza uma estrutura de roda giratória. É composto por uma roda contendo segmentos com pó de gadolínio, além de um poderoso ímã permanente.

O design é projetado de forma que a roda gire através da abertura de trabalho do ímã, na qual o campo magnético está concentrado. Quando um segmento com gadolínio entra em um campo magnético, ocorre um efeito magnetocalórico no gadolínio - ele aquece. Este calor é removido por um trocador de calor resfriado a água. Quando o gadolínio sai da zona do campo magnético, ocorre um efeito magnetocalórico de sinal oposto e o material é ainda mais resfriado, resfriando o trocador de calor com uma segunda corrente de água circulando nele. Na verdade, esse fluxo é usado para resfriar a câmara de refrigeração de um refrigerador magnético. Tal dispositivo é compacto e opera praticamente silenciosamente e sem vibração, o que o distingue favoravelmente dos refrigeradores de ciclo vapor-gás usados atualmente.

“O ímã permanente e o fluido de trabalho de gadolínio não requerem nenhuma entrada de energia”, diz o professor Karl Schneidner, do Laboratório Ames. A energia é necessária para girar a roda e acionar as bombas de água.

Esta tecnologia foi testada pela primeira vez em setembro de 2001. Atualmente tempo está passando trabalhar para ampliar ainda mais suas capacidades: está sendo aprimorado o processo tecnológico para a produção comercial de gadolínio puro e seus compostos necessários, o que permitirá atingir maiores valores de MCE a custos mais baixos. Ao mesmo tempo, a equipe do Laboratório Ames construiu um ímã permanente capaz de criar um forte campo magnético. O novo íman cria um campo duas vezes mais forte que o íman do design anterior do frigorífico magnético (2001), o que é muito importante porque A magnitude do campo magnético determina os parâmetros do refrigerador, como eficiência e potência. Foram depositados pedidos de patente para o processo de obtenção do composto para o fluido de trabalho Gd5(Si2Ge2) e para o desenho do ímã permanente.

Vantagens, desvantagens e aplicações.

Todos os refrigeradores magnéticos podem ser divididos em duas classes de acordo com o tipo de ímãs utilizados: sistemas que utilizam ímãs supercondutores e sistemas que utilizam ímãs permanentes. O primeiro deles possui uma ampla faixa de temperaturas operacionais e potência de saída relativamente alta. Podem ser utilizados, por exemplo, em sistemas de ar condicionado para salas grandes e em equipamentos de armazenamento. produtos alimentícios. Os sistemas de resfriamento de ímã permanente têm uma faixa de temperatura relativamente limitada (não mais que 30 °C por ciclo) e, em princípio, podem ser usados em dispositivos com potencia média(até 100 Watts) - como uma geladeira de carro e uma geladeira portátil para um piquenique. Mas ambos têm uma série de vantagens sobre os sistemas tradicionais de refrigeração a vapor:

Baixo risco ambiental: O fluido de trabalho é sólido e pode ser facilmente isolado de ambiente. Os metais lantanídeos usados como fluidos de trabalho são pouco tóxicos e podem ser reutilizados após o descarte do dispositivo. O meio de transferência de calor deve ter apenas baixa viscosidade e condutividade térmica suficiente, que corresponda bem às propriedades da água, do hélio ou do ar. Estes últimos são bem compatíveis com o meio ambiente.

Alta eficiência. O aquecimento e resfriamento magnetocalórico são processos termodinâmicos praticamente reversíveis, em contraste com o processo de compressão de vapor no ciclo operacional de um refrigerador vapor-gás. Cálculos teóricos e estudos experimentais mostram que as unidades de resfriamento magnético são caracterizadas por maior eficiência. e eficiência. Em particular, à temperatura ambiente, os frigoríficos magnéticos são potencialmente 20-30% mais eficientes do que aqueles que operam no ciclo vapor-gás. A tecnologia de resfriamento magnético pode ser muito eficaz no futuro, o que reduzirá significativamente o custo de tais instalações.

Longa vida útil. A tecnologia envolve a utilização de um pequeno número de peças móveis e baixas frequências de operação em dispositivos de refrigeração, o que reduz significativamente seu desgaste.

Flexibilidade da tecnologia. É possível utilizar vários modelos de refrigeradores magnéticos dependendo da finalidade.

Propriedades úteis de congelamento. A tecnologia magnética permite o resfriamento e congelamento de diversas substâncias (água, ar, produtos químicos) com pequenas alterações para cada caso. Em contraste, um ciclo eficiente de refrigeração vapor-gás requer muitos estágios separados ou uma mistura de diferentes refrigerantes de trabalho para realizar o mesmo procedimento.

Rápido progresso no desenvolvimento da supercondutividade e na melhoria das propriedades magnéticas dos ímãs permanentes. Atualmente, várias empresas comerciais conhecidas estão melhorando com sucesso as propriedades dos ímãs NdFeB (os ímãs permanentes mais eficientes) e trabalhando em seus projetos. Juntamente com os conhecidos progressos no domínio da supercondutividade, isto permite-nos esperar melhorar a qualidade dos frigoríficos magnéticos e, ao mesmo tempo, reduzir o seu custo.

Desvantagens do resfriamento magnético.

A necessidade de blindagem da fonte magnética.
O preço atual das fontes de campo magnético é relativamente alto.
Faixa limitada de mudanças de temperatura em um ciclo de resfriamento em sistemas de ímã permanente. (não mais que 30°C).

Irá a Rússia desenvolver de forma independente uma tecnologia altamente promissora?

No nosso país, até agora, o problema do arrefecimento magnético existe apenas ao nível dos laboratórios científicos, embora tenham sido os cientistas russos no início dos anos 90 que realizaram os primeiros trabalhos sobre a teoria e a prática da utilização do FEM para a criação de máquinas de refrigeração magnética. Os criadores do protótipo funcional do refrigerador magnético discutido acima têm trabalhado em colaboração com funcionários da empresa “Tecnologias e Consultas Magnéticas Avançadas” e da Faculdade de Física da Universidade Estadual de Moscou há muitos anos. Infelizmente, na Rússia, tais desenvolvimentos são realizados a um nível insuficiente devido à falta dos fundos necessários. Não há dúvida de que, com o apoio financeiro adequado de estruturas governamentais ou comerciais, o desenvolvimento de tecnologia e a produção de refrigeradores magnéticos na Rússia são certamente possíveis. Na nossa opinião, é necessário envolver todas as partes interessadas em trabalhos neste sentido num futuro muito próximo.

Talvez um dia tenhamos em casa geladeiras que não funcionam com componentes químicos e refrigeradores industriais. Eles funcionarão com base em sistemas de resfriamento magnético, que, por sua vez, usarão aproximadamente os mesmos ímãs com os quais muitos de nós brincávamos quando crianças - prendendo-os a grandes objetos de metal e levantando pequenos objetos de metal com a ajuda deles.

Ao aplicar ímãs em objetos de metal, estávamos, na verdade, aquecendo esses objetos de metal sem saber. E não apenas porque seguravam esses objetos nas mãos quentes. O fato é que os campos magnéticos podem aquecer metais. E esse fenômeno é chamado de efeito magnetocalórico. Quando um metal está em repouso e não é afetado por estímulos externos, seus elétrons se movem em qualquer direção possível.

No entanto, se você aproximar um ímã dele, o metal será exposto a um campo magnético - os elétrons, na verdade, se alinham em uma fileira na mesma direção. Esta é uma mudança na entropia, ou, em outras palavras, uma limitação dos elétrons na possibilidade de livre movimento. No entanto, esta limitação não é permanente. Sim, agora os elétrons não podem se mover em nenhuma direção que “queiram”, mas ainda podem se mover em outras direções. Neste caso, a entropia aumenta aumentando a vibração dos átomos. E a vibração dos átomos, ou melhor, a energia de sua vibração, ou movimento, tem um nome mais geral - calor.

Portanto, se aproximarmos um ímã do metal, ele começa a aquecer. O efeito de aquecimento ao usar a maioria dos metais é praticamente insignificante, mas há metais que aquecem muito neste caso. Tais metais incluem, por exemplo, gadolínio. Parece que o efeito magnetocalórico é mais adequado para cozinhar alimentos do que para congelá-los.

No entanto, este efeito também pode ter o efeito oposto. Se um pedaço de metal for exposto a um campo magnético e o campo for removido, o metal começa a esfriar.

A maioria dos refrigeradores magnéticos atualmente testados em laboratórios científicos podem resfriar pequenos objetos usando esse método. Uma substância especial, geralmente hélio, é aplicada ao metal exposto ao campo magnético. Essa substância tira o excesso de calor, o metal esfria e então o campo magnético é retirado, deixando o metal muito frio.

Legal o suficiente para ser usado como refrigerador. O princípio do resfriamento magnético é conhecido há algum tempo, mas seu uso em casa ainda parece uma quimera. Esperançosamente, as eventuais capacidades dos sistemas de resfriamento magnético, sua eficiência, silêncio e necessidade reduzida de refrigerantes químicos poderão um dia trazê-los ao mercado.

RESFRIAMENTO MAGNÉTICO- método de obtenção de temperaturas baixas e ultrabaixas por adiabático. desmagnetização paramagnética substâncias propostas por P. Debye e W. Giauque (P. Debye, W. Giauque, 1926). Anteriormente, este método era amplamente utilizado para obter temperaturas de 1 a 0,01 K usando paramagnético. sais. Para atingir temperaturas nesta faixa, eles usam principalmente a dissolução de 3 He em 4 He (ver. Criostato), mas seu significado é o método de M. o. guardado para Van Vleck (ver. Paramagnetismo de Van Vleck) e paramagnético nuclear sistemas, com os quais é possível obter temperaturas na faixa de mili, micro e até nanokelvin.

Por exemplo, considere a desmagnetização do cobre. Existem dois isótopos estáveis de cobre: 63 Cu (69,04%) e 65 Cu (30,96%). Ambos os isótopos têm spin nuclear EU=3/2, valor fator g cobre levando em consideração a contribuição dos isótopos. Em temperaturas entropia S o cobre é determinado pela orientação. graus de liberdade dos ímãs nucleares. momentos, já que a eletrônica e os graus de liberdade em temperaturas tão baixas estão praticamente ausentes (“congelados”). A entropia de um mol de cobre é descrita por f-loy

onde está a constante de Curie nuclear molar, X A*m 2 - nuclear magnetão ,- constante magnética, R - , N A - Constante de Avogrado, V- externo revista. campo, b- campo efetivo induzido em um núcleo de cobre por núcleos vizinhos. Dependências da entropia do cobre com a temperatura, colocadas em várias condições externas. revista. campos mostrados na Fig.

Diagrama de entropia do processo de resfriamento magnético de um sistema de núcleos de cobre com EU= 3/2. . Linhas curvas - dependências de entropia S na temperatura T em campos magnéticos com indução EM, igual a 8 T, 50 mT e 0,3 mT.

O processo de desmagnetização nuclear do cobre é realizado em etapas. Inicialmente, o cobre é resfriado em um forte campo magnético. campo (para o ponto B na figura). Ao mesmo tempo, externos O refrigerador, que geralmente é um criostato de dissolução, remove o calor do cobre. Então é realizado o processo adiabático. desmagnetização (BC na figura), que ocorre mantendo a entropia do cobre. A velocidade deste processo é geralmente escolhida de forma que as perdas de calor devido às correntes de Foucault sejam insignificantes. Temperatura final. T ao subsistema de núcleos de cobre é determinado pelos valores dos campos de desmagnetização inicial e final ( B Mão EM Para ) e sem levar em conta as perdas de calor durante a desmagnetização é igual a

Capacidade de calor nuclear COM cobre após a desmagnetização também depende da magnitude do campo final

Após a desmagnetização, o subsistema central pode ser usado como refrigerante para resfriar outros sistemas (processo VG) e então o cobre é magnetizado novamente (processo GA). Na Fig. Também é ilustrado um experimento de resfriamento profundo de núcleos de cobre (B-D), no qual é possível obter uma temperatura nuclear de 10 nK.

Prático aplicação do método de M. o. limitado por contato magnético relativamente fraco. subsistemas com outros subsistemas de matéria. Como resultado, quando um subsistema de núcleos de cobre é resfriado até K, os elétrons de condução permanecem resfriados apenas até , e o hélio líquido só pode ser resfriado até (devido a Salto de temperatura em Capitsa). Por outro lado, a quantidade de calor que um sistema de spins nucleares pode absorver é menor quanto menor for a temperatura. Portanto, quando a desmagnetização nuclear é utilizada como método de resfriamento, a temperatura do subsistema nuclear é geralmente mantida próxima à temperatura das amostras resfriadas.

Uma das variedades do M. o. é o chamado método de resfriamento de núcleos em um sistema de coordenadas rotativas. O método é eficaz quando o contato térmico do subsistema nuclear (spin sistema nuclear) com outros subsistemas de matéria é insignificantemente pequeno. Neste método, o sistema de spin é continuamente exposto a um campo de radiofrequência, que pode ser considerado estacionário se um sistema de coordenadas girando com a frequência do campo for introduzido para os spins. Ao fazer a transição para um sistema de coordenadas rotativas para externo. revista. campo EMé necessário adicionar um campo efetivo - frequência, -

O diagrama dos níveis dos átomos nos cristais nos ajudará a entender um método interessante de resfriamento que só pode ser inventado com um bom conhecimento da mecânica quântica.

Em baixas temperaturas, quase todos os movimentos param - translacionais, rotacionais. No entanto, mesmo em temperaturas abaixo de 1 K, os spins dos átomos continuam a se comportar como átomos de um gás ideal - eles trocam energia (embora fracamente) e sua posição no espaço (suas projeções na direção do campo magnético) pode mudar quase livremente. Em elementos como as terras raras, os elétrons preenchem as camadas internas dos átomos e seus spins são quase insensíveis a outros elétrons. Consequentemente, os momentos magnéticos comportam-se como se fossem livres.

O método de obtenção de temperaturas ultrabaixas - resfriamento magnético - é baseado nesta propriedade dos elétrons.

Se você aplicar um campo magnético a um cristal contendo átomos de elementos de terras raras e tomar cuidado para que o cristal não aqueça (ou seja, ligue o campo isotermicamente), então, como mencionado, após um curto período de tempo todos os momentos magnéticos (se eles são positivos, então .e. g>0) será instalado ao longo do campo, por assim dizer, com uma seta para sul. Aqui deve-se ressaltar que após o desligamento do campo, o cristal com sistema de spin não fica em condições isotérmicas, mas sim em condições adiabáticas, ou seja, está isolado termicamente. Se você desligar rapidamente o campo magnético, uma imagem incomum aparecerá. Não há campo, todos os spins são direcionados em uma direção e não são espalhados caoticamente, como deveria ser no equilíbrio térmico. É verdade que assumimos que, além do movimento dos spins, nada acontece no sistema (negligenciamos o movimento dos átomos e suas vibrações). Agora precisamos esclarecer o quadro. Os átomos em uma rede cristalina realmente vibram porque a rede tem uma certa temperatura T. A intensidade das oscilações é determinada por este valor T. O movimento dos átomos também é transmitido aos spins, pois quando as cargas se movem, surge um campo magnético alternado fraco. Portanto, as costas não ficam totalmente isoladas, mas sim em uma “garrafa térmica” com temperatura T.

Quando, com a ajuda de um campo magnético externo, todos os spins estão alinhados na mesma direção, surge uma ordem que não pode ser mantida sem o campo. Os spins devem mudar de direção (como resultado da interação com os átomos vibrantes) e tendem a se organizar de forma caótica - de modo que qualquer uma de suas projeções ocorra com igual probabilidade. Com tal processo, deve ocorrer uma troca de energia entre os spins e vibrações dos átomos.

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Arroz. 30. Desmagnetização adiabática. Entropia em função da temperatura sem campo ( B=0) e no campo ( V=V 0)

Porém, à primeira vista, é difícil entender em que direção a energia será transferida - se as vibrações dos átomos aumentarão ou diminuirão.

Para responder a esta pergunta, precisamos trazer a entropia para nos resgatar. A entropia dos spins deve aumentar; isso significa que um fluxo de calor deve surgir da rede (vibrações atômicas), que está em equilíbrio térmico, para os spins: os spins retornarão a um estado caótico e as vibrações atômicas serão um pouco amortecidas.

Isso significa que o cristal esfriou. Isso decorre da teoria. Na Fig. A Figura 30 mostra esquematicamente como a temperatura e a entropia mudam em tal sistema. A curva superior descreve a dependência da entropia do cristal com a temperatura quando a intensidade do campo é zero; A curva inferior mostra a mesma dependência com o campo externo ligado. Ambas as curvas convergem para um ponto em T=0. Isto é uma consequência do teorema de Nernst, que já discutimos. Se o campo for desligado rapidamente para que a entropia do cristal não mude (isso é chamado de desmagnetização adiabática), então a temperatura cai porque pontos com o mesmo valor S ficam em curvas diferentes para diferentes T. Experimentos confirmaram as previsões. Seria possível criar tal método de resfriamento se você não conhecesse os meandros da teoria?

O método de resfriamento magnético foi proposto em 1926 por Giock nos EUA e de forma independente (mesmo algumas semanas antes) por Debye na Alemanha. Utilizando este método, foram alcançadas temperaturas até aproximadamente 0,003 K. Temperaturas mais baixas não podem ser obtidas desta forma, uma vez que os spins param de se mover livremente; sua ordem (todos olham na mesma direção), que surge devido à interação entre eles (como entre as agulhas de uma bússola localizadas próximas umas das outras), não é destruída pelo fraco movimento térmico dos átomos.

Você pode descer ainda mais na escala de temperatura se usar campos magnéticos muito grandes - vários Tesla. Nesses campos é possível orientar os momentos magnéticos dos núcleos e repetir todas as operações descritas não com elétrons, mas com núcleos.

Em 1956, Simon atingiu desta forma uma temperatura de 0,000016 K. Infelizmente, este recorde não é totalmente real. Os núcleos interagem muito fracamente com os elétrons (essa interação é chamada de hiperfina) e é quase impossível para os núcleos ganharem entropia da rede. Na verdade, os núcleos aquecem lentamente e a temperatura da grelha não cai - a grelha consegue repor o calor perdido do ambiente (apesar de todos os tipos de truques dos experimentadores). O caminho para a região dos milikelvins (milésimos de Kelvin) parecia fechado. Como resfriar não um sistema ilusório de spins, mas um pedaço de matéria, até 0,001 K e menos?

Acontece que isso também é possível!

A dissolução do sal diminui a temperatura da solução. Este efeito simples e conhecido ajudou os físicos. Descobriu-se que se o gás hélio com massa atômica 3 (3 He) for dissolvido em hélio líquido comum, a temperatura da solução diminui. Isso dá temperaturas de até 0,001 K.

Mas existe uma maneira mais astuta; foi inventado por I. Ya. Este método também está associado ao 3 He.

Para entender em que consiste esse método, é necessário traçar as curvas de entropia de duas fases do 3 He - sólida e líquida - próximas do zero absoluto (Fig. 31). De acordo com mecânica quântica, no zero absoluto todos os sistemas estão em seu estado mais baixo e a entropia desse estado é zero* - a energia é mínima. Neste caso, o que é muito importante, a entropia de ambas as fases (líquida e sólida) em 0 é a mesma, a transição de uma fase para outra ocorre sem alteração na entropia, sem alteração na energia. Esta propriedade foi postulada por Nernst e é uma das formulações da terceira lei da termodinâmica.

* (Mais precisamente, torna-se uma constante, igual para ambas as fases. Não faz sentido comparar os valores absolutos de entropia de diferentes substâncias que não se transformam umas nas outras.)

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Arroz. 31. Entropia 3 Não em fase líquida e sólida

Para o método de Pomeranchuk, é importante que as curvas estejam localizadas de modo que na mesma temperatura a entropia da fase sólida seja maior que a entropia da fase líquida. Se as curvas fossem organizadas de forma diferente, o método não existiria.

A essência do método pode ser entendida na Fig. 29. Se o processo de resfriamento for realizado comprimindo adiabaticamente o líquido e transferindo-o para a fase sólida, então, como pode ser visto na figura, a temperatura 3 não diminuirá. Assim, uma temperatura de cerca de 0,001 K foi obtida. A 0,002 K, o líquido 3 He torna-se, como o 4 He, superfluido, e nesta região é incomumente complexo e complexo. mundo interessante fenômenos físicos. Sua descrição, infelizmente, já foge ao escopo do nosso tópico.

Externamente, o método de Pomeranchuk é semelhante ao resfriamento magnético. Na verdade, esta analogia é ainda mais profunda. Todo o efeito se deve ao fato de que os núcleos de 3 He não possuem spin (os núcleos de 3 He comuns não possuem spin). No líquido 3 He, os spins em temperaturas muito baixas são ordenados, alinhados paralelamente entre si. No sólido 3 He, esses mesmos spins ficam “espalhados” desordenadamente até uma temperatura de cerca de 0,003 K. A transição do líquido para o líquido. o estado sólido é, portanto, semelhante ao desligamento adiabático do campo magnético (os spins são espalhados), e a transição reversa é a magnetização. A entropia da fase sólida (na mesma temperatura) é maior que a entropia do líquido devido aos spins. Deve-se ter em mente que de fato o quadro do arranjo dos spins no sólido 3 não é mais complexo, mas o esquema descrito é suficiente para explicar o efeito.

A física de baixas temperaturas entrou agora em uma nova era. A região de milikelvin promete muito mais surpresas.

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