第四章热力学基本关系式及应用解析.ppt

对于实际气体，它有时为正，有时为负，有时为0。它存在两个区域—致冷区和致温区。 在致冷区，焦汤系数大于0，将气体经过几次节流过程，使其温度不断降低，待至临界温度即可液化。 致冷区 致温区 p T 但是对于氢气、氦气（教材P56为氧气，错误）等，在室温时它们处于致温区，其焦汤系数小于 0，必须先进行预冷，使其温度降至致冷区温度，这时其焦汤系数也转而大于 0，然后再利用节流过程使其液化。 4.7.13气体的液化 96 4.7.13气体的液化 97 思考题 对于实际气体 ，其中 为常数，试讨论： 1、该气体经过节流膨胀后温度如何变化？为什么？ 2、试证明该实际气体的 3、理想气体的内能只是温度的单值函数吗？内能是温度的单值函数的气体一定是理想气体吗？ 4、范氏气体 参考答案 4.7.13气体的液化 2、绝热膨胀致冷 气体绝热膨胀对外作功时，其温度降低，这一特性也可使气体液化： 等式右端始终大于0，在绝热膨胀中，压力总是降低，所以气体温度下降，无所谓转变温度的问题，不需预冷也能使气体液化。 98 在相同压降下，气体在绝热可逆膨胀中的温降大于节流过程中的温降： 4.7.13气体的液化 99 事实上，以上讨论的这两个过程是获取低温的常用方法。通常的做法是：先将气体经绝热膨胀，使其温度降低到转变温度以下，再经过节流过程进一步将气体温度下降，直至使气体液化。 对于1K 以下的低温，则要用绝热去磁来获得。 4.7.14去磁致冷 100 4.7.14去磁致冷 101 磁介质Maxwell关系式 4.7.14去磁致冷 102 4.7.14去磁致冷 103 一方面，在低温制冷技术领域，去磁致冷可以获得接近于绝对零度（几mK）的低温。 另一方面，室温磁制冷技术的应用前景更为广阔。 传统氟利昂气体压缩制冷技术存在效率低、能耗大及破坏大气臭氧层等明显缺陷，虽然人们积极开发新的不破坏大气臭氧层的氟利昂替代工质，但这些替代工质仍保留了压缩制冷能耗大的缺陷，且许多工质具有温室效应。 4.7.14去磁致冷 104 磁制冷是指借助磁致冷材料的磁热效应，在等温磁化时磁矩作有序排列，磁熵减小，向外界放出磁化热，然后在绝热条件下去磁，磁矩恢复混乱排列，磁熵增加，但绝热过程总熵不变，故晶格振动的熵减小，表现为温度下降，处于低温的磁致冷材料可以吸收系统热量，达到制冷目的。 4.7.14去磁致冷 105 磁制冷技术以固体磁性材料为工质，不使用氟利昂和压缩机，高效、节能、可靠、环保，因而被誉为绿色制冷技术。磁致冷材料的研发是磁制冷技术的关键，各国的学者对磁致冷材料进行了大量的研究。研究表明：稀土元素，特别是中重稀土元素，具有较强的磁热效应。尤其是金属钆（Gd），居里温度(293K)恰好在室温区间，因此Gd金属及其化合物是重要的室温磁致冷材料。值得一提的是纳米稀土磁致冷复合材料的研究，为低磁场磁致冷材料的开发带来了极大的希望。 4.7.15磁致伸缩效应 106 所谓磁致伸缩效应，是指磁介质在磁化过程中因外磁场条件的改变而发生几何尺寸变化的效应。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10-3～10-6。它是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应。 4.7.15磁致伸缩效应 107 上式左边的偏导数指出：在温度和压强不变时，磁介质的体积随磁场的变化率，这就是磁致伸缩效应； 上式右边的偏导数指出：在温度和磁场保持不变时，介质的磁化强度随压强的变化率，它描述了压磁效应。 磁介质 Maxwell关系式 4.7.15磁致伸缩效应 108 常用磁致伸缩材料 镍 铁镍 铁铝 铁钴钒 铁氧体 稀土超磁致伸缩材料 21世纪战略性功能材料 金属磁致伸缩材料 4.7.15磁致伸缩效应 109 普通磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料 材料 饱和磁致伸缩系数 材料 饱和磁致伸缩系数 NiP Fe Co Co-40Fe Fe3O4 Ni Fe2O4 CoFe2O4 Fe-13Al Fe系非晶态 40×10-6 -60×10-6 -9×10-6 70×10-6 60×10-6 -26×10-6 -110×10-6 40×10-6 （30~40）×10-6 TbFe2 Tb-30%Fe SmFe2 Tb(CoFe)2 Tb(NiFe)2 TbFe3 DyFe2 Pr2Co17 非晶态- TbFe2 1.753×10-3 1.590×10-3 -1.560×10-