在炎熱的夏天，我們總是渴望空氣變得涼爽些。通過(guò)一個(gè)管子就可以實(shí)現(xiàn)我們的目的。這個(gè)神奇的管子叫做渦流管?？梢酝ㄟ^(guò)通入壓縮空氣來(lái)迅速地制冷。

渦流管又被稱(chēng)為“麥克斯韋妖管”，高壓空氣從管子中央注入，隨后可以從左邊溢出高達(dá)100多攝氏度的熱氣，右邊溢出冷氣甚至可以達(dá)到零下40度，實(shí)現(xiàn)了氣體冷熱分流。那么渦流管是如何實(shí)現(xiàn)這一神奇的過(guò)程的呢？

圖1 渦流管概述圖

在介紹之前首先說(shuō)一下一只“妖”，這只“妖”叫麥克斯韋妖，是在物理學(xué)中假想的妖，能探測(cè)并控制單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)。麥克斯韋妖是英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋為了說(shuō)明違反熱力學(xué)第二定律的可能性而設(shè)想的假想實(shí)驗(yàn)[1]：一個(gè)妖怪控制著兩個(gè)氣體艙之間的一扇小門(mén)。

當(dāng)獨(dú)立的氣體分子接近門(mén)時(shí)，妖怪迅速的打開(kāi)和關(guān)閉門(mén)，快速的分子進(jìn)入其中的一個(gè)腔，慢速的分子進(jìn)入另外一個(gè)腔。因?yàn)樗俣雀斓姆肿訙囟雀?，妖怪的?dòng)作導(dǎo)致一個(gè)腔室升溫，另一個(gè)腔室降溫，從而減少熵。

而熱力學(xué)第二定律可以簡(jiǎn)單的表述為：熱量不能自發(fā)的從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，即孤立系統(tǒng)的熵永不減小。因?yàn)辂溈怂鬼f設(shè)想的妖精非常小，而控制分子進(jìn)出的“門(mén)”非常輕，因此做功可以忽略不計(jì)，因此在當(dāng)時(shí)麥克斯韋妖的設(shè)想被認(rèn)為與熱力學(xué)第二定律是相悖的。

后來(lái)，有許多物理學(xué)家證明麥克斯韋妖并沒(méi)有違反熱力學(xué)第二定律，因?yàn)檫@只小妖精不能憑空確認(rèn)分子運(yùn)動(dòng)的快慢，這需要一個(gè)觀察和確認(rèn)的過(guò)程，這一過(guò)程是需要能量的。再到后來(lái)科學(xué)家們采用“信息熵”來(lái)進(jìn)一步解釋小妖怪識(shí)別確認(rèn)分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)會(huì)進(jìn)行熵增，這一過(guò)程的熵增遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)分子被進(jìn)行分配時(shí)出現(xiàn)的熵減。因此，整個(gè)麥克斯韋妖裝置并不違反熱力學(xué)第二定律。

圖2 麥克斯韋裝置：A低溫艙；B高溫艙

渦流管就是一個(gè)存在“小妖精”的裝置。當(dāng)高壓空氣輸入時(shí)，它就可以把注入的氣體分成熱的一波和冷的一波。

關(guān)于渦流管的運(yùn)作機(jī)理現(xiàn)如今還沒(méi)有完全統(tǒng)一。

一種解釋是：高壓空氣進(jìn)入渦流管后做高速旋流運(yùn)動(dòng)，靠近管道中心的氣流旋轉(zhuǎn)角速高，而靠近管壁的氣流旋轉(zhuǎn)角速度低，這樣氣流之間就會(huì)不斷摩擦，結(jié)果就是靠近管道中心氣流的動(dòng)能傳遞給靠近管道外壁的氣流，因此內(nèi)圈渦流氣體的內(nèi)能不斷轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，使其溫度降低，而外圈的氣體通過(guò)不斷摩擦獲得動(dòng)能，同時(shí)內(nèi)能也逐漸增大，造成溫度的升高。

另一種解釋是管體內(nèi)部螺旋渦流式在通過(guò)高壓氣體后，氣體在腔室內(nèi)產(chǎn)生旋渦，管道內(nèi)部存在壓力差。外圈的氣體是高壓，更熱的空氣向外圈流動(dòng)，而冷的空氣在內(nèi)圈流動(dòng)。[2]

圖3 渦流管內(nèi)外旋流示意圖

為了實(shí)現(xiàn)冷、熱氣體的分離，在渦流管的底部有一個(gè)錐形塞子，它的存在阻止了內(nèi)旋流的冷空氣從底部出口流出，從而迫使其從頂部的出口流出，從而完成冷、熱氣體的分離。

圖4 渦流管冷、熱空氣分離

不過(guò)，由于渦流管的運(yùn)作需要高壓空氣，且制冷效率低，噪音大，因此在日常生活中并不能直接制冷使用。但是它的制冷速度奇快，通入壓縮空氣即可獲得冷氣，并且構(gòu)造簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，其發(fā)揮著重要的作用。

審核編輯：劉清