未解之謎真實(shí)麥克斯韋妖

七君

1871年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋提出了一種看起來(lái)違反熱力學(xué)第二定律（系統(tǒng)自發(fā)熵增）的妖怪——麥克斯韋妖。麥克斯韋妖可以把氣體分子按照速度分到兩個(gè)不同的房間，速度快的一間，慢的一間。這樣一來(lái)，速度快的分子所在的那個(gè)房間的溫度高，另外一個(gè)房間的溫度低，而利用溫差，就可以驅(qū)動(dòng)熱機(jī)做功，這就是一種理想中的永動(dòng)機(jī)了。

麥克斯韋妖可以成為永動(dòng)機(jī)

后來(lái)，有許多物理學(xué)家證明麥克斯韋妖并沒有違反熱力學(xué)第二定律（熵增原理：孤立系統(tǒng)的熵永不自動(dòng)減少，熵在可逆過(guò)程中不變，在不可逆過(guò)程中增加）。

今天，我們就來(lái)介紹一種不需要輸入能量，就可以把注入的氣體分成一股熱的氣流和一股冷的氣流的神奇機(jī)械。它并不需要插電，也沒有可以移動(dòng)的部分，因?yàn)楸举|(zhì)上來(lái)說(shuō)它就是一根管子。

渦流管——高壓空氣從中央注入，熱氣從左邊溢出，冷氣從右邊溢出

這根管子被不少物理學(xué)家叫做麥克斯韋妖管，也叫渦流管。

這個(gè)渦流管看起來(lái)平平無(wú)奇，毫無(wú)妖孽之處。但是用起來(lái)之后，男人沉默，女人流淚，學(xué)生頭禿，老師心碎。90年來(lái)，許許多多的物理學(xué)家試圖解釋它的原理，但還沒有誰(shuí)徹底把它的本質(zhì)說(shuō)清楚了。

市售渦流管

我們先來(lái)看看明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)系教授Chris Cramer對(duì)市售渦流管的測(cè)試。在渦流管中部通入壓縮氣體之后，長(zhǎng)的一端噴出了熱氣，溫度最高時(shí)28攝氏度，短的另一端噴出了冷氣，溫度最低時(shí)1攝氏度。

你可能想知道氣體在渦流管內(nèi)部做了什么。

原來(lái)，當(dāng)輸入的高壓空氣沿著長(zhǎng)的管子向前流動(dòng)時(shí)開始分層，更熱的空氣向外圈流動(dòng)，而冷的空氣在內(nèi)圈流動(dòng)。

因?yàn)闊釟夤艿哪┒酥醒胗形矬w阻塞，這里只有熱氣噴出。而中心的冷空氣則向相反方向回彈，從另一端噴出。輸入壓強(qiáng)越大，熱風(fēng)和冷風(fēng)的溫差也越大。

出口溫度曲線，渦流管左右的溫差逐漸拉大

為了搞清楚氣流在渦流管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，墨西哥的物理學(xué)家Porta David等人用塑料和酒瓶塞子做了一個(gè)渦流管。

他們的設(shè)計(jì)和渦流管最初的設(shè)計(jì)一致，用5.72 個(gè)大氣壓、17攝氏度的氣體做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)管子噴出的氣體溫差有15攝氏度。

然后他們?cè)跉怏w里混入了嬰兒爽身粉，真相出現(xiàn)了——?dú)怏w在渦流管內(nèi)部形成了雙螺旋。

除了這種雙管雙孔設(shè)計(jì)，還有單孔設(shè)計(jì)，一樣能用。其實(shí)這就是一端被堵上的管子。有條件的同學(xué)可以在家試一試，測(cè)測(cè)噴出的氣體是不是外層熱、內(nèi)層冷。

這根妖孽管子有90年的歷史了。

1931年，法國(guó)物理學(xué)家Georges J. Ranque注意到渦流式分離器的中央比較涼，而外部比較熱。

Ranque寫了一篇論文，闡述了一下他對(duì)這個(gè)現(xiàn)象背后原理的猜測(cè)，然后就沒有然后了，因?yàn)槟菚r(shí)的物理學(xué)家們不相信這種違反常識(shí)的現(xiàn)象。禍不單行，Ranque用渦流管開的公司也倒閉了。

渦流管原理

1947年，他的稿子到了德國(guó)物理學(xué)家Rudolf Hilsch手中，Hilsch研究后發(fā)了一篇超高引的文章，所以渦流管有時(shí)也被叫做Hilsch渦流管，沒Ranque啥事兒了。

雖然渦流管的設(shè)計(jì)看起來(lái)非常簡(jiǎn)單粗暴，但是它的原理直到現(xiàn)在還沒有被搞清楚。

一種簡(jiǎn)單的解釋是，管子內(nèi)部存在壓力梯度，外圈是高壓氣體，中心是低壓氣體，由于氣體壓縮后溫度變高的原理，兩個(gè)位置的溫度不同。

另外一種解釋是，中心氣體的角速度比外圈的要高，兩者旋轉(zhuǎn)摩擦，中心的動(dòng)能通過(guò)摩擦傳遞給了外圈。

氣體在渦流管內(nèi)部形成了雙螺旋

這些解釋都能解釋一部分現(xiàn)象，但不符合所有的現(xiàn)實(shí)。

比如，1988年，威斯康星大學(xué)密爾沃基分校的物理學(xué)家R.T.Balmer嘗試把103兆帕的水噴入普通渦流管，發(fā)現(xiàn)水流也會(huì)分成冷熱兩股。

要知道液體和氣體不一樣，是不可壓縮的，所以渦流管對(duì)液體起效，這就證明壓強(qiáng)梯度假說(shuō)的錯(cuò)誤了。

而且更奇怪的是，高壓液體注入后，可以噴出兩股暖流，而且一股比另一股更熱。

單孔設(shè)計(jì)的渦流管，左邊注入壓縮空氣后，右邊中央出冷氣，外周出熱氣

用常理來(lái)思考這根管子真的會(huì)造成精神障礙：把水注入一個(gè)管道，出來(lái)兩支熱流，一支還比另一支更熱。雖然這不可能是永動(dòng)機(jī)（因?yàn)闄C(jī)械能被轉(zhuǎn)化為了熱能），但是這現(xiàn)象也太令人含淚了。

但是，搞不明白原理并不妨礙拿來(lái)主義，幾十萬(wàn)年來(lái)人類不都是這樣湊合過(guò)來(lái)的嘛。

現(xiàn)在，渦流管一般用于有壓縮空氣的場(chǎng)合，比如給食品廠的烘焙食品，還有切割機(jī)降溫。計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床也常用渦流管降溫，因?yàn)闇u流管不需要氟利昂等制冷劑，零件也不復(fù)雜。商用渦流管可以把溫度降低71攝氏度。

渦流管給食品降溫

你可能想問(wèn)，既然這種裝置能夠制造冷氣，為什么現(xiàn)在的家用制冷設(shè)備還是冰箱空調(diào)呢？

這主要是因?yàn)闇u流管的熱效不高，最大也只有30%左右，而且壓縮空氣流過(guò)時(shí)噪聲比較大，制造壓縮空氣的設(shè)備也很吵。

但是，還是有腦洞大的商家造了渦流管空調(diào)降溫服出來(lái)，夏天用涼風(fēng)管冬天用熱風(fēng)管，據(jù)稱能恒溫10～20攝氏度。

有百八來(lái)塊錢，為什么要買原理已經(jīng)被研究透的電風(fēng)扇，買麥克斯韋妖孽馬甲不好嗎？

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”微信公眾號(hào)，有刪節(jié)）