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设计|麦克斯韦妖终于出现了？90年来科学家始终没搞明白这个装置的原理


撰文 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 。
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本文插图

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 ， 速度快的一类 ， 慢的一类 。
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这样以来 ， 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 。
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 。 但是今天 ， 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热的一波和冷的一波的神奇机械 。 它并不需要插电 ， 也没有可以移动的部分 ， 从本质上来说它就是一根管子 。
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涡流管的设计：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 。
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市售涡流管
我们先来看看明尼苏达大学化学系教授 Chris Cramer 对涡流管的演示 。
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实验使用的涡流管：左边出热风 ， 右边出冷风 ， 左右的金属棒是温度仪 。
在上面通入压缩气体之后 ， 长的一端喷出了热气 ， 温度是最高28摄氏度 ， 短的另一端喷出了冷气 ， 温度最低是1摄氏度 。
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注入高压气体后 ， 涡流管左右的温差逐渐拉大 ， 最高达到27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 。
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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 。
为了搞清楚气流在涡流管内的运动 ， 墨西哥国立自治大学的物理学家 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——
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他们用了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——
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看起来 ， 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 。


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