摘要：磁性物质的热力学性质和研究方法与气体、液体等简单热力学系统的性质有所不同，在本论文中有针对性地讨论磁性物质所遵循的热力学物态方程，并讨论磁性物质的内能、熵、焓等状态参量所满足的关系，以及推导出磁性物质体系的自由能、吉布斯函数、Maxwell关系和磁性物质体系的比热容。
关键词：磁性；物态方程；内能；熵；比热容
中图分类号：G642.1 文献标志码：B 文章编号：1674-9324（2012）09-0105-03
一、几种磁性物质的物态方程
1.顺磁性物质的物态方程。将顺磁性物质置于外磁场中就被磁化，我们用M来表示磁化强度[4]，用H来表示磁场强度，它们与温度的关系为f（M，H，T）就是顺磁性物质的物态方程[1]，从实验得到的一些顺磁性物质物态方程的具体形式为M=CH/T式中C是个常数，其数值因不同物质而异由实验测定。如果样品是均匀磁化的，它的总磁矩?滋由下式给定?滋=MV顺磁性物质的物态方程也可以用P.Langevin的顺磁性磁化理论中得出，设每个分子有一永久磁矩?滋0，在磁场H中，其势能为V=-?滋0Hcos?兹，其中?兹为磁矩?滋与H之间的夹角，由于分子的热运动N个分子中磁矩指向?兹方向的分子数目按Boltzman定理得到n（?兹）=CNe?孜cos?兹，?孜=■式中C为常数，其值由以下关系确定■n（?兹）sin?兹d?兹=N，所以 C=■[sinh?孜]-1一个分子的磁矩在H方向的平均值为=C■?滋0cos?兹e?孜cos?兹sin?兹d?兹=?滋0[coth?孜-■]≡?滋0L（?孜）如果定义顺磁性物质的物态方程为?滓=?滓0L（■）式中?滓为磁偶，?滓0为每一个分子的磁偶。由磁性物质满足的方程（■）T=-T（■）?滓+H得到（■）T=0。
2.铁磁性物质的物态方程。按照Wiss的理论[2]，铁磁性物体中，由于有磁性的分子，当外场H等于零时仍有一内场使分子按顺序排列，所以需将P.Langevin理论中的H代替H+?酌?滓可得到，?浊=■，?滓=-■+■?浊（1）由P.Langevin理论?滓/?滓0=L（?浊），当H=0时，式（1）中的?滓/?滓0与?浊之间有直线关系?滓=?姿?滓0?浊，?姿=kT/?滋0?酌?滓0。在高温T时，?姿＞1/3，则?滓/?滓0=?姿?浊线不与?滓/?滓0=L（?浊）线相交，在低温T时，?姿＜1/3，则虽然H=0，将仍有磁化?滓0，临界温度为kTC/?滋0?酌?滓0=1/3。当H≠0时，在T＜Tc而且?浊取极小值的情况下，由式（1）得到
■=-■+■?浊=-■+■?浊 （2）■=■?浊-■?浊3 （3）
由式（2），H=0时?浊=■（■），代入式 （3） 得到■=■?艿■（T?艿TC）（4）
在T＞TC，?浊取极小值时式（3）中略去?浊3项得到?滓=HTC/?酌（T-TC）将式（1）写成式（2）的形式?浊=f（■）或?浊=■f（■）-?酌?滓和（■）T=-?酌?滓 （5）
二、磁性物质满足的热力学方程
长度为l，横截面积为A的磁介质上绕有N匝线圈并与外界电源相连通电时，外电源所做的功为dW=uidt，式中u两端电压，i是通过导线的电流，利用法拉第定律u=N■（AB）和安培定律Hl=Ni得到dW=（NA■）（■H）dB=VHdB （6）
将式（6）变成dW=Vd（1/2?滋0H2）+?滋0VHd?滋，式中第一项是激发磁场所做的功，第二项是磁介质所做的功，如果热力学系统只包括介质不包括磁场时dW=?滋0HdM磁介质的热力学基本方程为dU=TdS+?滋0HdM，对一般热力学体系的一些热力学方程通过做以下代换P→-?滋0H，V→M得到磁性物质满足的Maxwell关系
（■）S=?滋0（■）M （■）S=-?滋0（■）H（7） （■）T=-?滋0（■）M（■）T=?滋0（■）H（8）
不考虑磁性物质的体积变化做功的情况，磁性物质满足的焓，自由能[3]和吉布斯函数关系式为dH=TdS-?滋0MdH，dF=-SdT+?滋0HdM，dG=-SdT-?滋0MdH
（■）S=-（■）T（■）H （9）
由Maxwell关系式（7）和微分关系式（8）得到磁场不变时磁性物质的热容量CH为CH=T（■）H（10）将式（8）和式（9）代入式（10）得到（■）S=-■（■）H（11）
如果考虑磁性物质的体积变化所做的功，那么上面的一些方程改成如下形式：dU=TdS-PdV+?滋0HM，G=U-TS+PV-?滋0HM，（■）T，P=-?滋0（■）T，H。
三、磁性物质的比热容
由dQ=CvdT+[（■）T+P]dV，如果做以下变换P→-H，V→?滓得到dQ=C?滓dT+[（■）T+P]d?滓 （12）磁性物质比热容的定义式为[5]CH=（■）H，由式（4）和式（12） 得到CH=C?滓-（H-?酌?滓）（■）H≡C?滓+?啄H
讨论：顺磁性物体的情况下，?酌=0，所以当H=0时?啄H=0；当H≠0时?啄H≠0。对铁磁性物质来说?酌≠0，所以当H=0时?啄H≠0。（■）H=0=C?滓-?酌?滓（■）H=0=C?滓-■?酌（■）H=0，T≤TC时，由式（3）可得CH（■）H=0=C?滓+■=C?滓+■R，所以CH-C?滓=?啄H?艿5Cal/克分子。
由式（3）当TC≤T时有CH=（■）H=0=C?滓-（■）2■，在TC点，■有一个突变用以确定Curie温度的值。上述结果表明当H=0时，T≤TC的铁磁性物质在Curie温度转变成顺磁性物质，这个转变过程类似于夜氦的λ转变。
四、结论
磁性物质系统具有磁化强度M磁场强度H等独特的热力学参量，这些参量与温度T所满足的物态方程均不一样，从上述导出的一些基本表达式很明显地看出磁性物质体系的内能、焓、熵、自由能、吉布斯函数、热容量和比热容等的表达式都跟气体，液体等热力学体系的情况很不相同。
磁性物质在生活中正占着巨大的比重，它的重要性不言而喻。我们相信随着人们对磁性认识的加深和磁性材料技术的进步，它在生活中会得到更广泛的应用。以上我们只是作了较为笼统和浅显的分析，而了解其中更深层次的热力学性质和如何导出磁性物质一些热学性质，使其为我们所用。上述的讨论和分析，不但给我们提供深入理解磁性物质的新方法和技巧，而且还推进磁物质热力学的发展，为今后的研究和深造打下良好的基础。
参考文献：
[1]汪志诚.热力学？统计物理学[M].北京.高等教育出版社，2003，17.
[2]吴大猷.热力学、气体运动轮及统计物理学[M].北京.科学出版社，2010，53.
[3]胡跃辉、吴汉水、雷敏生.顺磁物质的自由能及磁熵效应关系[J].南昌大学学报，2000，24（2），184-187.
[4]陈良恒.热力学与统计物理学[M].长春.吉林大学出版社，1988，16.
[5]林宗涵.热力学与统计物理学[M].北京.北京大学出版社，2007，24.
基金项目：自治区高校科研计划立项项目（06018805），国家自然科学基金项目（11164027）磁性物质热力学性质的讨论和分析
作者简介：拜山·沙德克（1963-），男（哈萨克族），新疆乌鲁木齐人，博士后，新疆大学物理科学与技术学院教师，主要从事磁性材料和磁性薄膜的研究。