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
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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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市售涡流管
我们先来看看明尼苏达大学化学系教授ChrisCramer对涡流管的演示 。
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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 。
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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 。
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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PortaDavid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——
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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 。
【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】然后他们在气体里混入了婴儿爽身粉 ， 真相出现了——
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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 。
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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.TheworkingprincipleofaRanque-Hilschvortextube.Diss.2013.
这根妖孽管子有90年的历史了 。
1931年 ， 法国物理学家GeorgesJ.Ranque注意到涡流式分离器的中央比较凉 ， 而外部比较热 。
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GeorgesJ.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RudolfHilsch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 。
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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 。
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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20-50bar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 。
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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 。
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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 。
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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 ， 小编不由得心动了 。
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 。
无标注图片来源网络 。
动图来源和参考资料储存于石墨：
https://shimo.im/docs/WRrVrtPCVvghvd9Y/
来源：把科学带回家
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编辑：GUOmazing
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