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“把科学带回家” 提供
撰文 七君
1871年,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了一种看起来违反热力学第二定律(系统自发熵增)的妖怪——麦克斯韦妖。
麦克斯韦妖可以把气体分子按照速度分到两个不同的房间,速度快的一类,慢的一类。
这样以来,速度快的分子所在的那个房间的温度高,另外一个房间的温度低,而利用温差,就可以驱动热机做功,这就是一种理想中的永动机了。
后来,有许多物理学家证明麦克斯韦妖并没有违反热力学第二定律。但是今天,我们就来介绍一种不需要输入能量,就可以把注入的气体分成热的一波和冷的一波的神奇机械。它并不需要插电,也没有可以移动的部分,从本质上来说它就是一根管子。
涡流管的设计:高压空气从中央注入,热气从左边溢出,冷气从右边溢出。
这根管子被不少物理学家叫做麦克斯韦妖管,也叫涡流管。
这个涡流管看起来平平无奇,毫无妖孽之处。但是用起来之后,男人沉默,女人流泪,学生头秃,老师心碎。90年来,许许多多的物理学家试图解释它的原理,但还没有谁彻底把它的本质说清楚了。
市售涡流管
我们先来看看明尼苏达大学化学系教授 Chris Cramer 对涡流管的演示。
实验使用的涡流管:左边出热风,右边出冷风,左右的金属棒是温度仪。
在上面通入压缩气体之后,长的一端喷出了热气,温度是最高28摄氏度,短的另一端喷出了冷气,温度最低是1摄氏度。
注入高压气体后,涡流管左右的温差逐渐拉大,最高达到27摄氏度。
你可能想知道气体在涡流管内部做了什么。
原来,当输入的高压空气沿着长的管子向前流动时开始分层,更热的空气向外圈流动,而冷的空气在内圈流动。
因为热气管的末端中央有物体阻塞,这里只有热气喷出。而中心的冷空气则向相反方向回弹,从另一端喷出。输入压强越大,热风和冷风的温差也越大。
为了搞清楚气流在涡流管内的运动,墨西哥国立自治大学的物理学家 Porta David 等人用塑料和酒瓶塞子做了一个涡流管。
他们的设计和涡流管最初的设计一致——
他们用了5.72 个大气压、17摄氏度的气体做实验,发现两个管子喷出的气体温差有15摄氏度。
然后他们在气体里混入了婴儿爽身粉,真相出现了——
看起来,气体在涡流管内部形成了双螺旋。
除了这种双管双孔设计,还有单孔设计,一样能用。其实这就是一端被堵上的管子。有条件的同学可以在家试一试,测测喷出的气体是不是外层热,内层冷。
单孔设计的涡流管,左边注入压缩空气后,右边中央出冷气,外周出热气。图片来源:Xue, Yunpeng. The working principle of a Ranque-Hilsch vortex tube. Diss. 2013.
这根妖孽管子有90年的历史了。
1931年,法国物理学家 Georges J. Ranque 注意到涡流式分离器的中央比较凉,而外部比较热。
Georges J. Ranque
Ranque 边用奶酪杵葡萄酒,边写了一篇论文,阐述了一下他对这个现象背后原理的猜测,然后就没有然后了,因为那时的物理学家们不相信这种违反常识的现象。祸不单行,Ranque 用涡流管开的公司也倒闭了。
1947年,他的稿子到了德国物理学家 Rudolf Hilsch 手中, Hilsch 就开始认真地研究起来,并发了一篇超高引的文章,所以涡流管有时也被叫做 Hilsch 涡流管,没 Ranque 啥事儿了。
虽然涡流管的设计看起来非常简单粗暴,但是它的原理直到现在还没有被搞清楚。
一种简单的解释是,管子内部存在压力梯度,外圈的气体是高压,中心的是低压,由于气体压缩后温度变高的原理,两个位置的温度不同。
另外一种解释是,中心气体的角速度比外圈的要高,两者旋转摩擦,中心的动能通过摩擦传递给了外圈。
这些解释都能解释一部分现象,但不符合所有的现实。
就比如,1988年,威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家 R. T. Balmer 尝试把103兆帕的水喷入市面上买的普通涡流管,发现居然水也有用诶。
要知道液体和气体不一样,是不可压缩的,所以液体能用上涡流管,这就吊打刚才的那个压强梯度假说了。
而且更奇怪的是,高压液体注入后,可以喷出两股暖流,而且一股比另一股更热。
注入液体后,涡流管里也会出现双螺旋。
用常理来思考这根管子真的会造成精神障碍:把水注入一个管道,出来两支热流,一支还比另一支更热。虽然这不可能是永动机(因为机械能被转化为了热能),但是这现象也太令人含泪了。
但是,搞不明白原理并不妨碍两脚兽拿来主义嘛,几十万年来咱不都是这样凑活过来的嘛。
涡流管给食品降温
现在,涡流管一般被用于具有压缩空气的场合,比如给食品厂的烘培食品,还有切割机降温。计算机数控机床也常用涡流管降温,因为涡流管不需要氟利昂等制冷剂,零件也不复杂。商用涡流管可以把温度降低71摄氏度。
你可能想问,既然这种不需要电力的装置能够制造冷气,为什么现在的家用制冷设备还是冰箱空调呢?
这主要是因为涡流管的热效不高,最大也只有30%左右,而且噪音比较大,还需要压缩空气。
当然,还有脑洞大的商家造了涡流管空调降温服出来,凉风管道对准身体专凉内人,热风管道向外专吹外人,据称恒温10-20摄氏度。看完这个清凉又科学的设计,一个重要的器官居然可耻地动了,心动了。
有百八来块钱,为什么要买原理已经被研究透的电风扇这么low,买麦克斯韦妖孽马甲不好吗。别人燥热我凉爽,别人凉爽我冻伤,麦克斯韦叔叔我可以!
中间进气,两端出气,这不就是中二管嘛。

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原标题:《麦克斯韦妖终于出现了?90年来科学家始终没搞明白这个装置的原理》
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