麥克斯韋妖終於出現了?90年來科學家始終沒搞明白這個裝置的原理 | 把科學帶回家

2021-02-15 風雲之聲





      

 這個渦流管看起來平平無奇，毫無妖孽之處。但是用起來之後，男人沉默，女人流淚，學生頭禿，老師心碎。

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撰文 七君

1871年，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋提出了一種看起來違反熱力學第二定律（系統自發熵增）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不同的房間，速度快的一類，慢的一類。

這樣以來，速度快的分子所在的那個房間的溫度高，另外一個房間的溫度低，而利用溫差，就可以驅動熱機做功，這就是一種理想中的永動機了。後來，有許多物理學家證明麥克斯韋妖並沒有違反熱力學第二定律。但是今天，我們就來介紹一種不需要輸入能量，就可以把注入的氣體分成熱的一波和冷的一波的神奇機械。它並不需要插電，也沒有可以移動的部分，從本質上來說它就是一根管子。

渦流管的設計：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家叫做麥克斯韋妖管，也叫渦流管。這個渦流管看起來平平無奇，毫無妖孽之處。但是用起來之後，男人沉默，女人流淚，學生頭禿，老師心碎。90年來，許許多多的物理學家試圖解釋它的原理，但還沒有誰徹底把它的本質說清楚了。

市售渦流管

我們先來看看明尼蘇達大學化學系教授 Chris Cramer 對渦流管的演示。

實驗使用的渦流管：左邊出熱風，右邊出冷風，左右的金屬棒是溫度儀。

在上面通入壓縮氣體之後，長的一端噴出了熱氣，溫度是最高28攝氏度，短的另一端噴出了冷氣，溫度最低是1攝氏度。

注入高壓氣體後，渦流管左右的溫差逐漸拉大，最高達到27攝氏度。

原來，當輸入的高壓空氣沿著長的管子向前流動時開始分層，更熱的空氣向外圈流動，而冷的空氣在內圈流動。

因為熱氣管的末端中央有物體阻塞，這裡只有熱氣噴出。而中心的冷空氣則向相反方向回彈，從另一端噴出。輸入壓強越大，熱風和冷風的溫差也越大。為了搞清楚氣流在渦流管內的運動，墨西哥國立自治大學的物理學家 Porta David 等人用塑料和酒瓶塞子做了一個渦流管。

他們用了5.72 個大氣壓、17攝氏度的氣體做實驗，發現兩個管子噴出的氣體溫差有15攝氏度。

除了這種雙管雙孔設計，還有單孔設計，一樣能用。其實這就是一端被堵上的管子。有條件的同學可以在家試一試，測測噴出的氣體是不是外層熱，內層冷。

單孔設計的渦流管，左邊注入壓縮空氣後，右邊中央出冷氣，外周出熱氣。圖片來源：Xue, Yunpeng. The working principle of a Ranque-Hilsch vortex tube. Diss. 2013.

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

Georges J. Ranque

Ranque 邊用奶酪杵葡萄酒，邊寫了一篇論文，闡述了一下他對這個現象背後原理的猜測，然後就沒有然後了，因為那時的物理學家們不相信這種違反常識的現象。禍不單行，Ranque 用渦流管開的公司也倒閉了。1947年，他的稿子到了德國物理學家 Rudolf Hilsch 手中， Hilsch 就開始認真地研究起來，並發了一篇超高引的文章，所以渦流管有時也被叫做 Hilsch 渦流管，沒 Ranque 啥事兒了。

雖然渦流管的設計看起來非常簡單粗暴，但是它的原理直到現在還沒有被搞清楚。一種簡單的解釋是，管子內部存在壓力梯度，外圈的氣體是高壓，中心的是低壓，由於氣體壓縮後溫度變高的原理，兩個位置的溫度不同。另外一種解釋是，中心氣體的角速度比外圈的要高，兩者旋轉摩擦，中心的動能通過摩擦傳遞給了外圈。

 

就比如，1988年，威斯康星大學密爾沃基分校的物理學家 R. T. Balmer 嘗試把103兆帕的水噴入市面上買的普通渦流管，發現居然水也有用誒。要知道液體和氣體不一樣，是不可壓縮的，所以液體能用上渦流管，這就吊打剛才的那個壓強梯度假說了。而且更奇怪的是，高壓液體注入後，可以噴出兩股暖流，而且一股比另一股更熱。

注入液體後，渦流管裡也會出現雙螺旋。

用常理來思考這根管子真的會造成精神障礙：把水注入一個管道，出來兩支熱流，一支還比另一支更熱。雖然這不可能是永動機（因為機械能被轉化為了熱能），但是這現象也太令人含淚了。但是，搞不明白原理並不妨礙兩腳獸拿來主義嘛，幾十萬年來咱不都是這樣湊活過來的嘛。

渦流管給食品降溫

現在，渦流管一般被用於具有壓縮空氣的場合，比如給食品廠的烘培食品，還有切割機降溫。計算機數控工具機也常用渦流管降溫，因為渦流管不需要氟利昂等製冷劑，零件也不複雜。商用渦流管可以把溫度降低71攝氏度。你可能想問，既然這種不需要電力的裝置能夠製造冷氣，為什麼現在的家用製冷設備還是冰箱空調呢？這主要是因為渦流管的熱效不高，最大也只有30%左右，而且噪音比較大，還需要壓縮空氣。

 

當然，還有腦洞大的商家造了渦流管空調降溫服出來，涼風管道對準身體專涼內人，熱風管道向外專吹外人，據稱恆溫10-20攝氏度。看完這個清涼又科學的設計，一個重要的器官居然可恥地動了，心動了。有百八來塊錢，為什麼要買原理已經被研究透的電風扇這麼low，買麥克斯韋妖孽馬甲不好嗎。別人燥熱我涼爽，別人涼爽我凍傷，麥克斯韋叔叔我可以！

無標註圖片來源網絡。

動圖來源和參考資料儲存於石墨：

https://shimo.im/docs/WRrVrtPCVvghvd9Y/

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背景簡介：本文2020年6月4日發表於微信公眾號 把科學帶回家（麥克斯韋妖終於出現了？90年來科學家始終沒搞明白這個裝置的原理），風雲之聲獲授權轉載。

責任編輯：陳昕悅

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