在炎熱的夏天，我們總是渴望空氣變得涼爽些。通過一個管子就可以實現(xiàn)我們的目的。這個神奇的管子叫做渦流管?？梢酝ㄟ^通入壓縮空氣來迅速地制冷。

渦流管又被稱為“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100多攝氏度的熱氣，右邊溢出冷氣甚至可以達到零下40度，實現(xiàn)了氣體冷熱分流。那么渦流管是如何實現(xiàn)這一神奇的過程的呢？

圖1 渦流管概述圖

在介紹之前首先說一下一只“妖”，這只“妖”叫麥克斯韋妖，是在物理學中假想的妖，能探測并控制單個分子的運動。麥克斯韋妖是英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設(shè)想的假想實驗[1]：一個妖怪控制著兩個氣體艙之間的一扇小門。

當獨立的氣體分子接近門時，妖怪迅速的打開和關(guān)閉門，快速的分子進入其中的一個腔，慢速的分子進入另外一個腔。因為速度更快的分子溫度更高，妖怪的動作導致一個腔室升溫，另一個腔室降溫，從而減少熵。

而熱力學第二定律可以簡單的表述為：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。因為麥克斯韋設(shè)想的妖精非常小，而控制分子進出的“門”非常輕，因此做功可以忽略不計，因此在當時麥克斯韋妖的設(shè)想被認為與熱力學第二定律是相悖的。

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，因為這只小妖精不能憑空確認分子運動的快慢，這需要一個觀察和確認的過程，這一過程是需要能量的。再到后來科學家們采用“信息熵”來進一步解釋小妖怪識別確認分子運動狀態(tài)時會進行熵增，這一過程的熵增遠遠超過分子被進行分配時出現(xiàn)的熵減。因此，整個麥克斯韋妖裝置并不違反熱力學第二定律。

圖2 麥克斯韋裝置：A低溫艙；B高溫艙

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

關(guān)于渦流管的運作機理現(xiàn)如今還沒有完全統(tǒng)一。

一種解釋是：高壓空氣進入渦流管后做高速旋流運動，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，這樣氣流之間就會不斷摩擦，結(jié)果就是靠近管道中心氣流的動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)動能，使其溫度降低，而外圈的氣體通過不斷摩擦獲得動能，同時內(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，而冷的空氣在內(nèi)圈流動。[2]

圖3 渦流管內(nèi)外旋流示意圖

為了實現(xiàn)冷、熱氣體的分離，在渦流管的底部有一個錐形塞子，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，由于渦流管的運作需要高壓空氣，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)造簡單，維護方便。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