磁热效应

对于顺磁介质,Ⅹ和K都是正数,磁介质的热容CH也是正数，故有

可见，绝热地减小磁场时，物质的温度将降低。这种现象叫做磁致冷效应。利用绝热去磁法获得低温，就是依据这一效应。因为在没有磁场时，各个磁活动性离子的角动量取向是混乱的,使得每摩尔分子的熵,除了点阵振动所引起的部分外，又增加了一部分。若将磁介质在温度保持一定的情况下放入强磁场中，磁场将使所有离子的角动量取能量较小的方向,因而减小了系统的熵,这时有热量ΔQ=ΔS ×T流出磁介质。若再绝热地慢慢减小磁场,使整个过程为可逆过程，则系统的总熵保持不变，但过程中各离子角动量取向引起的熵增加到原来的值，所以与点阵振动相联系的那部分熵必然减小，结果物质被冷却。绝热去磁法是现代得到低温的有效方法，可以得到约0.001K的低温。

物质的点阵振动和磁矩取向都对系统的熵有贡献，如先在等温情形下加外磁场，物质被磁化，分子磁矩趋向于一致的排列，对熵的贡献减小，系统放出热量；然后在绝热条件下撤去外磁场，磁矩恢复为无规排列，相应的熵增加，但由于是绝热去磁，系统的总熵不变，磁矩的熵的增加是以点阵振动的熵的减少作代价，这导致物质的冷却。绝热去磁与绝热去极化一样可用来获得低温。

磁卡效应（magnetocaloriceffect）顺磁与铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩由杂乱变为有序，原子磁矩之间及与外磁场之间的相互作用能降低，它的磁熵减小，排出熵的过程也就是放热的过程。反之，在取消磁场的过程中，磁性物质的磁矩由有序而变为杂乱，从外界吸收能量，磁熵增加，在系统绝热的情况下则磁性物质本身降温。这种由外磁场变化而引起磁性物质放热或吸热的现象称为磁卡效应。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先观察到， 当磁化场突然增大到0.8～1.6MA/m时，铁磁体 (Ni或Fe)的温度将上升1～2℃。磁卡效应产生的 原因是：设想当铁磁体被加热时，各个原子的自旋将吸收一部分热量使它们平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一强磁场使各个自旋平行排列的有序程度增加，则必然放出热量，因为是绝热过程，故磁体的温度上升。由于磁卡效应是通过自旋排列的有序程度变化而产生的，可知此效应在居里点附近最为显著，这是因为在居里点附近加一定磁场可使磁化强度有较大的增加。相反，如果在一定温度下 突然去掉外加的磁化场，将使磁体的温度下降。因 此利用这一效应可以实现磁致冷。 2100433B

磁热效应是指在绝热条件下磁性物质被外磁场磁化时所发生的温度变化。但狭义地应用于铁磁物质时，磁热效应是指弱磁场或中等磁场磁化时因磁畴结构变化，伴随发生的温度变化，而磁致温差效应则指加强磁场时由于自发磁化强度被强制增大，伴生的温度变化。

磁化使磁性体内平行的元磁体(如自旋)数量增多。结果，交换作用能和外磁场中的静磁能降低. 由于磁化是在绝热条件下进行的，降低了的那部分能量必转化为元磁体的热能. 这些热能又通过元磁体与点阵的耦合(如自旋-点阵或轨道-点阵)使整个磁性体的温度上升。反之，绝热地撤去磁场，平行排列的元磁体的数量将突然减小，因而元磁体的热能减小，使磁性体变冷。

在弱磁场和中等磁场下，磁化过程通常包含畴壁位移过程和转动过程，分别又有可逆过程和不可逆过程之分，情况相当复杂。所以，至今尚无完善的磁热效应理论来对实验结果作深入的定量分析。

基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣。该化合物作为制冷物质有一个缺点：当在该材料表现出大的磁热效应的温度范围内循环其磁化时，它会因磁滞现象而损失大量能量。但是，研究人员找到了克服这一问题的一个简单方法。只是通过添加少量铁，就可将磁滞现象减少90%，所获得的合金成为一种性能得到很大改善的制冷物质，可在接近室温的环境下应用。

在日常生活中，我们通常使用空调、冰箱和冰柜来制冷，但它们都需要能量驱动，所消耗的电能占到美国家庭耗电量的1/3。而一项依赖于磁体的全新制冷技术，能显著降低这部分能耗。

大多数商业化制冷机，都是通过反复压缩和膨胀气体或液体制冷剂来制冷。随着制冷剂的循环，能将热量从房间或设备中吸出带走。然而，压缩机的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷气体泄漏出去的话，它们的每一个分子对大气层的加热效率要比一个二氧化碳分子至少高1 000倍。

美国宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人员正在研发一种不使用压缩机，而是基于磁体的新型制冷机。从某种程度上来说，所有磁性材料都会在被置入磁场后升温，在移出磁场后降温，这一特性被称为“磁致热效应”(magnetocaloric effect)。原子通过自身振动贮存能量；而当外加磁场将金属中的电子有序排列，并阻止它们自由移动时，金属原子的振动就会加强，温度随之增加。移除磁场后，温度则会降低。虽然这一效应早在1881年就被发现，但它的商用价值却一直被人忽视。这是因为，从理论上来说，只有在极低的温度下使用超导磁体，才能将这种效应最大化到产生可利用的效果。然而在1997年，美国能源部爱艾姆斯实验室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科学家偶然发现，一种由钆、硅和锗构成的合金能在室温下显示出巨大的磁致热效应。自那时起，美国宇航公司还陆续把注意力集中在具有同样性质的其他合金上。

美国宇航公司正在设计一种空调，目标是为面积约100平方米的公寓或住宅制冷。这种空调里有一个小而平的、由某种此类合金制成的多孔楔形体构成的圆盘。在圆盘两侧，固定着一个环形永磁体。磁体中空，里面分布着强磁场。当圆盘旋转时，每一个磁致热楔形体会通过这个通道而升温，然后继续转出磁场范围而冷却。在系统内部循环的液体被这些旋转的楔形体反复加热和冷却，冷却后的液体就能从房间中吸走热量。精心设计的磁体能够防止磁场从设备中溢出，所以它不会影响到附近的电子仪器或人身上的心脏起搏器。

在传统制冷机中，核心部件是压缩机。而在磁体制冷机中，核心部件是带动圆盘旋转的马达，而马达通常要比压缩机的能量效率高得多。美国宇航公司的目标是在2013年制造出一台原型机，能在达到同样制冷能力的情况下将耗电量降低1/3。磁体制冷机还有一个额外的显著优点：它只是用水来输送热量，“你没法找到比水更环保的材料了，”美国宇航公司技术中心经理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)说。

但是别说把这项技术实际应用于冰箱和冰柜，即便是仅仅制作一台原型机，也需要跨过许多障碍。首先，如何控制水流通过多孔的楔形体就是个棘手的问题，因为圆盘要以每分钟360~600转的速度高速旋转。此外，磁体由一种昂贵的钕—铁—硼合金制成，因此，如果要想商业化生产，在仍能保持提供足够强磁场的前提下尽可能小型化也是必要的。正如加拿大维多利亚大学(University of Victoria)的机械工程师安德鲁·罗(Andrew Rowe)所说：“这是一项高风险技术，但它有巨大的应用潜力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。”

研究人员还在试验其他一些特殊制冷技术。美国Sheetak公司，正在研发一种完全不使用制冷剂的制冷设备，它依赖于一种所谓的“热电材料”(thermoelectric material)，基于帕尔特效应开发的热电半导体制冷芯片，接通直流电后，芯片的一面变冷，另一面变热。不管怎样，降低燃料消耗和减少温室气体排放总会为我们带来一个清凉的世界。

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电磁波在介质中传播时,介质吸收电磁能而致热的效应。固体和液体介质,吸收电磁波的损耗比空气大,损耗的能量大部分以热的形式使介质温度升高。生物有机体的细胞和体液中排列混乱的极性分子,在电磁波照射下有趋向作用,发生频率极高的振荡运动,为克服所在介质的黏滞性,高频振荡运动消耗能量而发热,使器官温度升高,并引起一系列高温生理反应,包括酸中毒、过度换气、流泪、发汗、心血管反应、抽搐等症状,甚至危及生命。

在等温度过程中，体系吸的热因过程不同，有反应热（如生成热、燃烧热、分解热与中和热）、相变热（如蒸发热、升华热、熔化热）、溶解热（积分溶解热、微分溶解热）、稀释热等。根据等容、等压等过程，热效应可分为等容热效应与等压热效应。等容过程的热效应，称等容热效应；等压过程的称等压热效应。化学反应、相变过程等一般是在等压条件下进行的，故手册中列出的有关数据，一般是等压热效应。由于这些过程一般不伴随其他功（只有体积功），等压热效应就等于体系焓的增量，用符号△H表示。若为负值，表明过程放热。这类数据广泛应用于科学研究、工业设计与生产等领域。

电流热效应：简单的说，电流通过导体时电能转化成热，这个现象叫做电流的热效应。

生成热

由稳定单质化合生成1mol化合物的恒压反应热效应，称为该化合物的生成热，又称生成焓。规定所有温度下最稳定的单质的焓值为零，所以由稳定单质生成化合物的反应焓变即为该化合物的相对焓值-生成热。为了进行统一的计算和比较，往往用标准生成热，即在指定温度时，101325Pa下，由稳定单质生成1mol化合物时的反应热，就是该温度时化合物的标准生成热。

燃烧热

1mol物质在指定条件下完全燃烧时的热效应称为该物质的燃烧热。所谓完全燃烧是指产物处于稳定的聚集状态，如C变为CO₂（g），H变为H₂O（l），S变为SO₂（g），N变为N₂（g），Cl变为HCl水溶液等。物质的燃烧热可以由热力学手册查得，大多数手册所列为25摄氏度、101325Pa下物质的燃烧热，称为该物质的标准燃烧热。

目前，人们对燃烧热的利用已非常广泛，最常见的为利用生活垃圾的燃烧热来发电。随着人类对已知能源的不断开采利用，全球将面临能源危机，但是发现的新资源海底可燃冰将为人类解决这一难题 。

离子的生成热

对于有离子参加的反应，如果能够知道离子的生成热，则离子反应热也可按照（3-22）、（3-23）求出。所谓离子生成热是指在101325Pa和指定温度下，由最稳定的单质生成1mol溶于无限大量水溶液中的相应离子所产生的热效应。但是，在一个反应里正负离子总是同时存在，无法直接计算一种离子的生成热，为此，必须建立一个相对标准，习惯上规定H （∞，aq）的标准摩尔生成热为零。即：

1/2H₂（g）=H （∞，aq） e（H （∞，aq））=0

将其他离子与其比较，从而得到各离子的标准生成热。

例如已知H₂（g） 1/2O₂（g）=H₂O（l）=-285.83kJ.mol^-1

H₂O（l）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）=55.84kJ.mol-1

则以上两方程相加，得H₂（g） 1/2O₂（g）=H （∞，aq） OH^-（∞，aq）

=-285.83kJ.mol^-1 55.84kJ.mol^-1=-229.99kJ.mol^-1

由于（H （∞，aq））=0

所以1/2H₂（g） 1/2O₂（g）=OH^-（∞，aq）

=-229.99kJ.mol^-1这就是OH-离子的标准摩尔生成热。

溶解热

物质溶解过程通常也伴随着热效应，如硫酸、苛性钠等物质溶解于水中，产生放热现象；而硝酸铵溶于水中则发生吸热现象。这是由于形成溶液时，粒子间相互作用力与纯物质不同，发生能量变化，并以热的形式与环境交换之故。物质溶解过程所放出或吸收热量的多少，与温度、压力等条件有关，如果不加注明，常常指25oC及101325Pa的条件。

1mol溶质溶解于一定量溶剂中，形成某一浓度的溶液时所产生的热效应称为该浓度溶液的积分溶解热。由于溶解过程中溶液浓度不断变化，因而积分溶解热称为变浓溶解热。符号ΔHint。而1mol溶质溶解于一定浓度的无限大量溶液中，所产生的热效应称为该溶质在此浓度下的微分溶解热，也叫定浓溶解热，符号ΔHdiff。溶解热单位J.mol-¹或kJ.mol^-1。

红外热效应

电磁波的热效应通常是这样解释的：物质内部分子是呈中性，但带有等量的正负电荷，在电场中会被极化，即正负电荷随电场方向或反方向加速后分离至两端，在化学中也称作弛豫。

红外线作为电磁波，在传播中伴有交变电磁场，会使物质的分子交替极化，导致大量分子的往复弛豫运动，这种分子在运动中就会发生碰撞并与物质摩擦，就表现出了“热”现象。微波炉就是利用这个原理工作的。烤箱用红外线工作，穿透力比微波要差，所以不像微波炉那样加热内部，可以把面包表面烤糊

另一当面，红外线（尤其是远红外区）的振动频率更接近物质的频率更容易引起物质的共振，所以热效应最显著。