如何使用压缩空气制冷?涡流管—麦克斯韦妖管

在炎热的夏天,我们总是渴望空气变得凉爽些。通过一个管子就可以实现我们的目的。这个神奇的管子叫做涡流管。可以通过通入压缩空气来迅速地制冷。
涡流管又被称为“麦克斯韦妖管”,高压空气从管子中央注入,随后可以从左边溢出高达100多摄氏度的热气,右边溢出冷气甚至可以达到零下40度,实现了气体冷热分流。那么涡流管是如何实现这一神奇的过程的呢?
图1 涡流管概述图 
在介绍之前首先说一下一只“妖”,这只“妖”叫麦克斯韦妖,是在物理学中假想的妖,能探测并控制单个分子的运动。麦克斯韦妖是英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的假想实验[1]:一个妖怪控制着两个气体舱之间的一扇小门。
当独立的气体分子接近门时,妖怪迅速的打开和关闭门,快速的分子进入其中的一个腔,慢速的分子进入另外一个腔。因为速度更快的分子温度更高,妖怪的动作导致一个腔室升温,另一个腔室降温,从而减少熵。
而热力学第二定律可以简单的表述为:热量不能自发的从低温物体转移到高温物体,即孤立系统的熵永不减小。因为麦克斯韦设想的妖精非常小,而控制分子进出的“门”非常轻,因此做功可以忽略不计,因此在当时麦克斯韦妖的设想被认为与热力学第二定律是相悖的。
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,因为这只小妖精不能凭空确认分子运动的快慢,这需要一个观察和确认的过程,这一过程是需要能量的。再到后来科学家们采用“信息熵”来进一步解释小妖怪识别确认分子运动状态时会进行熵增,这一过程的熵增远远超过分子被进行分配时出现的熵减。因此,整个麦克斯韦妖装置并不违反热力学第二定律。
图2 麦克斯韦装置:a低温舱;b高温舱 
涡流管就是一个存在“小妖精”的装置。当高压空气输入时,它就可以把注入的气体分成热的一波和冷的一波。
关于涡流管的运作机理现如今还没有完全统一。
一种解释是:高压空气进入涡流管后做高速旋流运动,靠近管道中心的气流旋转角速高,而靠近管壁的气流旋转角速度低,这样气流之间就会不断摩擦,结果就是靠近管道中心气流的动能传递给靠近管道外壁的气流,因此内圈涡流气体的内能不断转化为旋转动能,使其温度降低,而外圈的气体通过不断摩擦获得动能,同时内能也逐渐增大,造成温度的升高。
另一种解释是管体内部螺旋涡流式在通过高压气体后,气体在腔室内产生旋涡,管道内部存在压力差。外圈的气体是高压,更热的空气向外圈流动,而冷的空气在内圈流动。[2]
图3 涡流管内外旋流示意图
为了实现冷、热气体的分离,在涡流管的底部有一个锥形塞子,它的存在阻止了内旋流的冷空气从底部出口流出,从而迫使其从顶部的出口流出,从而完成冷、热气体的分离。
图4 涡流管冷、热空气分离
不过,由于涡流管的运作需要高压空气,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,通入压缩空气即可获得冷气,并且构造简单,维护方便。因此在工业生产中,其发挥着重要的作用。


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