자기열량효과 · MAGNETOCALORIC EFFECT
압축기도, 냉매 가스도 없다. 스핀이 줄을 서면 무질서도가 떨어지고, 그만큼의 열이 밖으로 밀려난다. 자기장을 끊으면 반대로 열을 빨아들인다. 아래에서 직접 자기장을 걸어봐.
가돌리늄 원자 하나하나의 자기 모멘트다. 자기장이 없으면 열운동에 밀려 제멋대로 흩어져 있고(엔트로피 높음), 자기장을 걸면 위로 정렬한다(엔트로피 낮음). 엔트로피가 줄어든 만큼은 어딘가로 가야 한다 — 그게 열이다.
외부와 열을 주고받지 못하니 엔트로피 총합이 고정된다. 스핀이 정렬해 잃은 무질서도만큼 원자 진동이 격해지고, 온도가 오른다.
같은 물질의 엔트로피를 자기장 0 T일 때와 2 T일 때로 나눠 그린 것. 두 곡선의 가로 간격이 단열 상태에서 얻는 온도차 ΔTad, 세로 간격이 등온 상태에서 뽑아내는 엔트로피차 ΔSM이다. 위 슬라이더를 움직이면 점이 따라 움직인다.
여기가 이 기술의 급소다. 두 곡선이 가장 크게 벌어지는 곳은 퀴리온도(이 재료는 293 K) 부근뿐이다. 거기서 30 K만 벗어나도 효과가 반으로 죽는다. 그래서 실제 장치는 퀴리온도가 조금씩 다른 재료를 층층이 쌓아 넓은 온도 구간을 덮는다.
한 번 걸었다 빼는 것만으로는 몇 도밖에 못 벌린다. 실제 냉장고는 재료 덩어리를 열저장고로도 쓰면서 네 행정을 반복해, 작은 온도차를 계단처럼 누적시킨다. 재생 사이클이 도는 동안 양 끝의 온도 스팬이 어떻게 벌어지는지 봐.
부하 슬라이더를 올려봐. 저온단으로 열이 새어들수록 스팬이 줄어든다. 스팬과 냉력은 맞바꿈 관계라, 실제 설계는 이 둘 사이 어딘가에서 타협한다.
원리는 1881년부터 알려져 있었고 극저온 영역에선 이미 실용 기술이다. 상온 대량시장을 막는 건 물리가 아니라 원가다.
1 T 이상을 상시 유지하려면 네오디뮴 자석이 킬로그램 단위로 들어간다. 전자석은 코일 소비전력이 냉력을 잡아먹어 답이 없다.
1~2 Hz로는 재료 kg당 뽑는 냉력이 초라하다. 주파수를 올리면 이력손실이 배로 커져 효율이 무너진다.
퀴리온도 근처에서만 효과가 크다. 넓은 스팬을 덮으려면 조성이 다른 층을 여러 겹 쌓아야 하고, 그만큼 재료비와 공정이 늘어난다.
모델에 대하여. 스핀 격자와 두 선도는 J=7/2 브릴루앙 함수에 분자장 근사를 넣은 평균장 모델로 실시간 계산한다. 자기 엔트로피는 S/R = ln[sinh(8y/7)/sinh(y/7)] − y·BJ(y) 로, 격자 기여는 5.5R·lnT 로 두었다. 단열 과정은 총엔트로피를 고정하고 온도를 이분법으로 역산한다. 퀴리온도 293 K, g·J·μB/kB = 4.70 K/T. 2 T 조건에서 ΔTad ≈ 4.5 K, ΔSM ≈ 0.88 J/mol·K(≈ 5.6 J/kg·K)가 나온다. 실측 가돌리늄이 각각 약 5 K, 5 J/kg·K이니 얼추 맞는다. 다만 1차 상전이 재료의 이력손실, 유체 압력손실, 자석 구동 일은 반영하지 않았다. 경향을 보는 용도다.