未解之谜真实麦克斯韦妖

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，速度快的一间，慢的一间。这样一来，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。

麦克斯韦妖可以成为永动机

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（熵增原理：孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加）。

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一股热的气流和一股冷的气流的神奇机械。它并不需要插电，也没有可以移动的部分，因为本质上来说它就是一根管子。

涡流管——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对市售涡流管的测试。在涡流管中部通入压缩气体之后，长的一端喷出了热气，温度最高时28摄氏度，短的另一端喷出了冷气，温度最低时1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。

出口温度曲线，涡流管左右的温差逐渐拉大

为了搞清楚气流在涡流管内的运动，墨西哥的物理学家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，用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——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。

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。

Ranque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。

涡流管原理

1947年，他的稿子到了德国物理学家Rudolf Hilsch手中，Hilsch研究后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，外圈是高压气体，中心是低压气体，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。

气体在涡流管内部形成了双螺旋

这些解释都能解释一部分现象，但不符合所有的现实。

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103兆帕的水喷入普通涡流管，发现水流也会分成冷热两股。

要知道液体和气体不一样，是不可压缩的，所以涡流管对液体起效，这就证明压强梯度假说的错误了。

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。

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

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拿来主义，几十万年来人类不都是这样凑合过来的嘛。

現在，涡流管一般用于有压缩空气的场合，比如给食品厂的烘焙食品，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。

涡流管给食品降温

你可能想问，既然这种装置能够制造冷气，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，而且压缩空气流过时噪声比较大，制造压缩空气的设备也很吵。

但是，还是有脑洞大的商家造了涡流管空调降温服出来，夏天用凉风管冬天用热风管，据称能恒温10～20摄氏度。

有百八来块钱，为什么要买原理已经被研究透的电风扇，买麦克斯韦妖孽马甲不好吗？

（本文经授权转载自“把科学带回家”微信公众号，有删节）