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。

审核编辑：刘清