求半导体空调和磁制冷冰箱的制冷原理~

半导体空调原理：

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab

πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab

帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即：

Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I

因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－ πb

金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。

磁制冷冰箱原理：

磁冰箱是根据磁热效应的原理制成的。稀土元素钆（Gd）是一种具有巨磁热效应的金属，在等温磁化时向外界放出热量，在绝热去磁时温度降低，因而可从外界吸取热量，达到制冷目的。为了完成制冷循环过程，可先在高温环境中对工质施加外磁场，并等温地实现伴随着熵减少而进行的放热过程；然后在低温下撤去外磁场，让工质进行等温吸热，最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接，就可完成制冷 *** 作。用不同种类的过程连接上述两个过程可以得到不同的磁制冷循环，如磁卡诺循环、磁斯特林循环、磁埃里克森循环以及磁布雷顿循环等。

  磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程连接两个等温过程（见图1）。在这个循环中，外部对制冷工质所做的功相当于四边形ABCD的面积。下面以最简单的磁卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明（见图2）。

等温磁化过程（图1中的AB过程）：热开关Ⅰ闭合、Ⅱ断开，磁场施加于磁工质，使熵减小，通过高温热源与磁工质的热端连接，热量从磁工质传入高温热源。   绝热去磁过程（图1中的BC过程）：热开关Ⅰ断开、Ⅱ仍断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在去磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。   等温去磁过程（图1中的CD过程）：Ⅱ闭合、Ⅰ仍断开，磁场继续减弱，磁工质从低温热源吸热。   绝热磁化过程（图1中的DA过程）：Ⅱ断开、Ⅰ仍断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。

  由于室温附近磁性离子系统的热运动大大加强，磁性工质的磁有序度难以形成，在受外磁场作用前后的磁熵变大大减小，同时强磁场的产生也受到许多条件的限制，磁热效应也大减弱。为了进一步提高室温磁制冷机的效率，通常主要应用磁埃里克森循环制冷机，图3是金属钆在200～300K条件下的T-S图。若按磁卡诺循环制冷（图中1'23'4'1'），则温降很小。埃里克森循环（图中12341）由四个过程组成，1→2为等温磁化、2→3为等磁场过程（温度降低）、3→4为等温去磁（吸热制冷）、4→1为等磁场过程（温度上升）。

磁冰箱的核心是一个旋转装置，该装置包括含有金属钆片的转轮和一块高磁场强度稀土永磁铁。工作时，钆轮通过永磁铁缺口进入磁场后出现巨大的磁热效应，由此导致钆轮升温，系统内第一条循环管道的水将钆轮温度升高获得的热量带走，以使钆轮冷却；当钆轮离开磁场后，钆轮温度就会下降到低于它进入磁场前的温度，此时系统内第二条循环管道的水通过钆轮并被钆轮冷却，被冷却的水成为制冷源，可用于制冷；若用凝固点远低于纯水的液体（如水和乙醇的1：1混合液）作为制冷源，就可制成有冷冻功能的实用型冰箱。

这一科研成果彻底改变了传统的冰箱制冷系统，工作时只需驱动钆轮转动的发动机、抽水机的电力，从而节约了能源。该系统工作时无声、几乎无振动。如果用近年来新发现的GdSiGe系磁致冷材料（在室温附近，Gd5Si2Ge2的磁热效应是金属钆的两倍）或新近研究出的铁锰磷砷合金材料替代金属钆片，其制冷效率将更高。

包头共签约项目50个，合同金额303亿元，项目涵盖稀土永磁、抛光、合金、装备、新材料、新能源等领域，这些项目的实施将为高质量注入新活力 稀土产业发展，增添动能，拓展新空间，有力推动了包头稀土产业高质量发展。

　新材料是指新发现或通过人工新合成或通过传统材料改性处理而产生的具有优异性能和特殊性能的材料。与传统材料产业进行比较，新材料产业具有技术密集、研发资金投入量大、产品附加值高等特点。1.新材料发展历程：目前处于第三次工业革命的硅、碳时代材料是人类一切社会生活和经济发展的基础性要素，作为关键资源投入，一次次推动着技术革命的进步。21世纪，新材料技术的突破将在很大程度上推动社会进入第四次工业革命。2.全球市场和格局：美日欧等发达国家主导，中韩俄紧随其后新材料是国际竞争的重点领域之一，也是决定一国高端制造及国防安全的关键因素。长期以来，新材料产业的创新主体是美国、日本和欧洲等发达国家和地区，中国、韩国、俄罗斯紧随其后，目前属于全球第二梯队。（1）全球对新材料产业宏观引导不断增强当前，发达国家都把新材料产业发展摆在十分突出的位置，密集出台重大规划政策，从研发投入、市场培育、法律制度方面给予大力支持，努力抢占未来发展先机。（2）全球新材料产业规模不断扩大全球新材料产业由2016年2.09万亿美元增长至2019年2.82万亿美元，年均复合增长达7.7%，其中2019年同比增长超过10%。从2019年新材料产业构成看，先进基础材料产值比重占49%，关键战略材料产值比重占43%，受3D打印材料、石墨烯、超导等新兴产业技术不断突破，前沿新材料比重由2018年的3.1%，上升到8%。（3）全球新材料产业发展不均衡发达国家拥有绝大部分大型跨国公司，在经济实力、核心技术、研发能力、市场占有率等多方面占据绝对优势，占据全球市场的垄断地位。其中，美国处于新材料产业发展全面领先的位置，日本在纳米科技、电子信息材料，欧洲在复合结构材料、化工材料、纳米材料，具有明显优势。中国在半导体照明、稀土永磁材料、人工晶体材料，韩国在显示材料、存储材料，俄罗斯在航空航天材料等方面具有比较优势。（4）未来市场的重心正逐步向亚洲地区转移伴随新一轮科技革命和产业大变革的来临，全球技术要素和市场要素配置方式将发生深刻变化，地区差异将会进一步加剧。从新材料市场来看，北美和欧洲拥有目前全球最大的新材料市场，且市场已经比较成熟，而在亚太地区，尤其是中国，新材料市场正处在一个快速发展的阶段。从宏观层面看，全球新材料市场的重心正逐步向亚洲地区转移。3.中国市场和格局：目前正处于由大到强转变的关键时期我国新材料产业从无到有，不断壮大，如今已经成为名副其实的材料大国，年均复合增速达到21.2%。然而，我国虽然已成为材料大国，但还不是材料强国，我国新材料目前正处于由大到强转变的关键时期。（1）新材料产业发展正处于黄金时代中国自“九五”开始就将新材料作为发展重点，自从“十二五”以来，国内的新材料技术发展取得了很大的进步。我国新材料产业产值从2011年0.8万亿增长至2019年4.5万亿，年均复合增速达到21.2%，增速十分显著，占全球新材料产值比重从2016年20%左右提升至2019年23%左右。（2）新材料产业整体受到市场高度青睐由于新材料的战略地位以及对其他新兴产业的支持、推动作用，新材料产业发展一直以来得到国家的大力支持，民间资本看好新材料的发展前景也大量涌入。2019年我国新材料行业投资数量为59起，单笔投资规模相比2011年增加近一倍，投资规模达到89.87亿元。（3）三类新材料产业面临不同发展问题我国新材料产业发展迅速，但并非一路坦途，三类新材料产业各自面临不同的发展问题。先进基础材料多个领域产量世界第一，但品质不高，出现产能过剩；关键战略材料产业链上下游脱节、成套技术不完备，部分产品对外依存度高且受海外严格管制；前沿新材料擅长跟踪模仿，原始创新不足，转化率较低。它们横亘在新材料发展之路上，亟待解决。

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