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))