未解之謎真實麥克斯韋妖

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，速度快的一間，慢的一間。這樣一來，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。

麥克斯韋妖可以成為永動機

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

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一股熱的氣流和一股冷的氣流的神奇機械。它并不需要插電，也沒有可以移動的部分，因為本質上來說它就是一根管子。

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。但是用起來之后，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對市售渦流管的測試。在渦流管中部通入壓縮氣體之后，長的一端噴出了熱氣，溫度最高時28攝氏度，短的另一端噴出了冷氣，溫度最低時1攝氏度。

你可能想知道氣體在渦流管內部做了什么。

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。輸入壓強越大，熱風和冷風的溫差也越大。

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的運動，墨西哥的物理學家Porta David等人用塑料和酒瓶塞子做了一個渦流管。

他們的設計和渦流管最初的設計一致，用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。

然后他們在氣體里混入了嬰兒爽身粉，真相出現了——氣體在渦流管內部形成了雙螺旋。

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。

這根妖孽管子有90年的歷史了。

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。

Ranque寫了一篇論文，闡述了一下他對這個現象背后原理的猜測，然后就沒有然后了，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。

渦流管原理

1947年，他的稿子到了德國物理學家Rudolf Hilsch手中，Hilsch研究后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。

氣體在渦流管內部形成了雙螺旋

這些解釋都能解釋一部分現象，但不符合所有的現實。

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103兆帕的水噴入普通渦流管，發現水流也會分成冷熱兩股。

要知道液體和氣體不一樣，是不可壓縮的，所以渦流管對液體起效，這就證明壓強梯度假說的錯誤了。

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。

單孔設計的渦流管，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，搞不明白原理并不妨礙拿來主義，幾十萬年來人類不都是這樣湊合過來的嘛。

現在，渦流管一般用于有壓縮空氣的場合，比如給食品廠的烘焙食品，還有切割機降溫。計算機數控機床也常用渦流管降溫，因為渦流管不需要氟利昂等制冷劑，零件也不復雜。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，既然這種裝置能夠制造冷氣，為什么現在的家用制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，而且壓縮空氣流過時噪聲比較大，制造壓縮空氣的設備也很吵。

但是，還是有腦洞大的商家造了渦流管空調降溫服出來，夏天用涼風管冬天用熱風管，據稱能恒溫10～20攝氏度。

有百八來塊錢，為什么要買原理已經被研究透的電風扇，買麥克斯韋妖孽馬甲不好嗎？

（本文經授權轉載自“把科學帶回家”微信公眾號，有刪節）