原创人菲利普·吉布斯（Philip Gibbs），1996年、1997年。

轻型轧机是如何工作的？

在1873年，在研究红外辐射和元素铊时维多利亚时代的实验者威廉·克鲁克斯爵士开发了一种特殊的辐射计测量热和光的辐射能的仪器。克鲁克斯辐射计今天，市场上销售的是一种称为轻型磨坊或太阳能发动机的对话产品。它由四个叶片组成，每个叶片的一面都是黑色的，另一面是镀银的其他。这些连接到垂直平衡的转子臂上以这样的方式支撑，它可以在很少摩擦的情况下转动。机制是装在一个透明的玻璃灯泡里，灯泡被抽到很高，但并不完美，真空。

当阳光照射到光轴上时，叶片随着黑色表面转动显然是被光推着。克鲁克斯起初相信这一点证明了黑色叶片上的光辐射压力正在扭转它，只是就像水磨里的水。詹姆斯引用了他报告该装置的论文麦克斯韦书记员接受了克鲁克斯的解释。看来麦克斯韦很高兴看到他预测的辐射压力效应的演示电磁学理论。但这种解释有一个问题。黑面的光线应该被吸收，而银面的光线则应该被吸收叶片的反射。净结果是增加了一倍金属侧和黑色侧的辐射压力。在这种情况下，磨坊是转向错误的方向。

当意识到这一点时辐射计效应人们找到了一些仍然被错误地引用为正确。很明显，每个叶片的黑色侧会吸收红外辐射的热量不仅仅是银色的一面。这将导致稀薄气体在黑色侧被加热。在这种情况下，显而易见的解释是，较暗侧的气体压力随着温度的升高而增加，从而对黑暗产生更大的作用力叶片的侧面，从而推动转子转动。麦克斯韦仔细分析了这一理论——大概是出于谨慎犯了第二个错误。他发现，事实上，较热的气体只会膨胀到没有净力的程度由于这种效应，只有稳定的热量流过叶片。所以用热气体来解释是错误的，但是甚至《大英百科全书》今天也给出了这种错误的解释。这个主题的一个变体是叶片黑色侧的分子提供推力。同样，这是不正确的，只有当平均自由路径分子间的碰撞与容器一样大，而不是通常小于一毫米的实际值。

为了理解为什么这些常见的解释是错误的，首先考虑一个更简单的设置，在这个设置中，一管气体保持在一个温度结束并冷却另一个。如果气体的行为符合各向同性压力的理想气体定律，则它将沉淀为沿管道具有温度梯度的稳态。压力将始终相同，因为否则力将扰乱气体。密度将沿管道随温度呈反比变化。热量将从热端流向冷端，但两端受力相同，因为两端的压力相等。任何建议的机制在热端产生更大的力，而沿着管的长度没有切向力，这是不正确的，因为否则作用力作用在管子上，没有相反的反作用力。辐射计稍微复杂一点，但同样的想法应该适用。叶片表面的法向力不会产生净力，因为压力会很快等于只有热流通过气体的稳态。

另一条死胡同是热蒸发气体溶解在黑色中的理论涂层，然后泄漏并推动叶片旋转。实际上，这样的效果确实存在；但这并不是真正的解释。这可以通过冷却来证明辐射计，然后转子转向另一个方向。此外，如果气体被抽出以产生更高的真空，叶片完全停止转动。这个表明稀薄气体参与了这种效应。出于类似的原因叶片是由光电效应产生的电子推动的理论也被排除在外。最后一个有时给出的错误解释是加热产生对流，对流的水平分量使叶片。对不起，又错了；这种效果无法用这种方式解释。

奥斯伯恩·雷诺兹（Osborne Reynolds）定性地提供了问题的正确解决方案，因“雷诺数”而被人们记住。1879年初，雷诺兹提交了一份提交给皇家学会的论文中，他考虑了他所称的“热蒸腾”，并对辐射计的原理进行了讨论。通过“热蒸腾”，雷诺数是指气体通过多孔板的流动，由温度差引起板块的两面。如果气体最初在两个管道上的压力相同侧面，它从较冷的一侧流向较热的一侧，从而在如果板块无法移动，则会出现更热的一侧。当两边的压力是绝对温度比的平方根。这个违反直觉的结果是由于气体分子和板中窄孔的侧面。这些热分子力的作用与超流液氦的热力学效应非常相似。这个缺乏所有粘度的液体会从容器的侧面爬向更暖和的地方区域。事实上，这种形式的液氦在薄片的两侧爬升得很快毛细管浸入其中，喷泉从管子的另一端喷出。

辐射计的叶片没有多孔性。因此，为了解释辐射计，人们必须注意的不是叶片的表面，而是叶片的边缘。 The来自较热一侧的较快分子斜撞击边缘并施加更大的力而不是更冷的分子。同样，这些是相同的热分子力负责雷诺兹的热蒸腾。这种效应也称为热效应蠕变，因为它会导致气体沿着有温度的表面蠕变梯度。由于边缘周围的切向力引起的叶片移动远离较暖的气体，流向较冷的气体，气体在相反方向的边缘。这种行为就像是有一个更大的叶片发黑侧的作用力（正如麦克斯韦所示，情况并非如此）；但是解释必须以叶片表面发生的情况为依据，而不是叶片表面附近发生的情况边缘。

麦克斯韦参考了雷诺兹的论文，因此意识到了他的建议。麦克斯韦立刻对问题进行了详细的数学分析，并提交了自己的论文，“关于温度不均匀引起的稀薄气体应力”，供出版在哲学交易中；它出现在1879年，就在他去世前不久。该论文充分肯定了雷诺兹的建议，即这种影响是在但批评了雷诺兹的数学处理方法。Reynolds的论文还没有出现了（出版于1881年），雷诺兹被麦克斯韦的这篇论文不仅第一次出现，还批评了他未发表的作品！雷诺希望皇家学会公布他的抗议，但在麦克斯韦去世后被认为是不合适的。

最后一点是可以使用更多精密仪器。需要使用更好的真空，将叶片悬挂在细纤维，并在叶片上涂上惰性玻璃，以防泄漏。当这个完成后，叶片将按麦克斯韦预测的相反方向偏转。 The实验非常困难；1901年，彼得·列别捷夫和还有欧内斯特·尼科尔斯和戈登·赫尔。

工具书类

麦克斯韦和雷诺兹的原创论文：

由温度不等式引起的稀薄气体应力,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），皇家学会菲尔分会。(1879)

关于气态物质的某些量纲性质,奥斯伯恩·雷诺兹（Osborne Reynolds），皇家学会菲尔分会。，第二部分，（1879）

关于辐射压力检测的原始论文：

P.N.Lebedev，安·物理。（莱比锡）6:433 (1901)

E.F.Nichols和G.F.Hull，Phys。版次。13:307 (1901)

历史细节取自以下来源：

天才詹姆斯·克拉克·麦克斯韦作者Keith J.Laidler在Phys。13大学新闻滑铁卢物理系。

我们称之为热的运动S.G.Brush North-Holland（1976年）

关于辐射计的其他有用文章：

克鲁克斯辐射计和其他示波器，诺曼·赫肯伯格，《科学通报》仪器学会，50, 40–42 (1996)

关于克鲁克斯辐射计的作用、Gorden F.Hull、美国J.Phys.、。，16, 185–186 (1948)

辐射计及其工作原理,Arther E.Woodruff，物理老师6, 358–363 (1968)

通用教科书：

灯光R.W.Ditchburn，Blackie&Son（1954年）

气体动力学理论，肯纳德，麦格劳希尔（1938）

致谢

托尔斯滕·希德森的轻磨图像和动画。

感谢诺曼·赫肯伯格（Norman Heckenberg）和鲍勃·埃利希（Bob Ehrlich）的有用评论。