Domanda:
Cosa succede nel microonde un bicchiere d'acqua?
paracetamol
2016-12-01 15:19:38 UTC
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La maggior parte di noi qui conosceva già l'idea semplificata alla base del microonde: la radiazione a microonde colpisce le molecole d'acqua presenti nel cibo, il che le eccita e le fa vibrare rapidamente in situ provocando il riscaldamento di cibo. Molto semplice.

Ma cosa succede se si decide di mettere nel microonde un bicchiere d'acqua?

Non riesco a trovare alcuna letteratura affidabile che si occupi di questo. Molti siti altamente inaffidabili sputano sciocchezze da "L'acqua diventa velenosa" a "L'acqua diventa radioattiva", quindi ho immediatamente ignorato quelli . Tuttavia, alcune fonti suggeriscono che "l'acqua esploderà".

Ora avevo l'impressione che l'acqua sarebbe forse arrivata a ebollizione un un po ' più velocemente di quanto sarebbe stato semplicemente accendendo un fuoco sotto di esso.

Quindi, dopo aver letto le ultime fonti, non è stato davvero difficile credere che potesse verificarsi un ' esplosione . All'inizio ho semplicemente estrapolato la mia teoria della "bollitura rapida" alla teoria della "bollitura rapida molto " e me ne sono accontentato. Per me aveva senso poiché presumevo che, proprio come nel metodo convenzionale di ebollizione dell'acqua, sul fondo del bicchiere si formassero bolle d'acqua, anche se a una velocità molto più veloce, si accumulano, si alzano , provocando così un'esplosione. Ma dopo qualche riflessione, ho notato un problema con questa "estrapolazione".

Perché le bolle si formano anche in primo luogo quando si riscalda l'acqua convenzionalmente? Accendere semplicemente un fuoco sotto un bicchiere d'acqua non garantisce che l'intero contenuto del bicchiere sia riscaldato uniformemente allo stesso tempo. Ovviamente lo strato di molecole d'acqua a diretto contatto con il fondo del becher si riscalda piuttosto rapidamente. Si alzano, scende l'acqua più fredda, ecc. Ecc., Conosci il problema: convezione . È la considerevole differenza di temperatura tra la regione del fondale e il resto dell'acqua, che consente all'acqua sul fondo di vaporizzarsi ad un certo punto formando bolle mentre l'acqua immediatamente sopra è ancora allo stato liquido.

Il problema che vedo che mi impedisce di estendere questa teoria all'acqua per microonde è che la modalità di riscaldamento è diversa nel caso del microonde: Radiazione

Ora, poiché la radiazione è più veloce nel riscaldare un dato volume rispetto alla convezione ; per tutti gli scopi pratici, penso sarebbe lecito accettare che l'acqua nel becher sarà riscaldato uniformemente (il becher ha dimensioni abbastanza normali ... le sue dimensioni non sono è di un ordine di grandezza maggiore di quello della velocità della luce / radiazione elettromagnetica, quindi andrà bene considerare l'apparato come `` uniformemente riscaldato ''. Dovevo dirlo prima che qualcuno inevitabilmente sottolinei nei commenti che tutti l'acqua viene riscaldata a temperature costanti come questa allo stesso esatto momento è impossibile).

Quindi se il becher viene riscaldato uniformemente , allora vedo non c'è motivo per la formazione di bolle ... in altre parole, non vedo arrivare un'esplosione.

Allora cosa succede veramente se metti nel microonde un bicchiere d'acqua?

Sarà rapidamente e costantemente Vaporize? Esploderà? O succede qualcos'altro? E perché accade?

La radiazione a microonde ha un'energia troppo bassa per causare vibrazioni molecolari. Provoca rotazioni molecolari.
Il vetro è abbastanza irrilevante. L'acqua viene riscaldata dal microonde e il bicchiere viene riscaldato dall'acqua calda. Il resto sono tutte sciocchezze.
Avrei considerato "esplosione" una risposta valida e giustificata. È ragionevolmente facile surriscaldare l'acqua in un contenitore di vetro molto liscio. L'acqua surriscaldata è al di sopra del punto di ebollizione ma non bollente e bollirà in modo molto violento a causa di uno shock o di un seme di qualche tipo.
https://www.youtube.com/watch?v=2FcwRYfUBLM
@MaxW Anche questo è quello che ho pensato per molto tempo, ma [questo articolo di Wikipedia] (https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water) cita [questo articolo] (https://dx.doi.org/10.1016 % 2FS0022-3093 (02) 01084-0) come parte di un argomento secondo cui in realtà è l'eccitazione dell'ampio assorbimento vibrazionale della rete di legami idrogeno nell'acqua.
Non ho molta esperienza su questo sito, ma questa domanda non sarebbe più adatta per [physics.se]?
Lo faccio sempre, tuttavia per le buone ragioni nelle risposte sopra ho inserito un singolo [anello Raschig] in ceramica (https://en.wikipedia.org/wiki/Raschig_ring) ogni volta che uso il vetro trasparente. Ne ho uno a casa, rubato all'università 10 anni fa proprio per quello scopo. Ma poi di nuovo, sono un nerd.
In realtà non è né l'uno né l'altro :) I forni a microonde (solitamente 2,4 GHz) sono una frequenza troppo bassa per eccitare efficacemente le vibrazioni o le rotazioni molecolari. Il riscaldamento dell'acqua in un forno a microonde proviene da [perdita dielettrica] (https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_loss). Questo è quando il campo elettrico a microonde spinge gli elettroni avanti e indietro (piuttosto che i nuclei atomici, come nelle vibrazioni e rotazioni molecolari). Gli elettroni in movimento mostrano una perdita simile al riscaldamento ohmico nei conduttori.
Un bicchiere d'acqua non verrà riscaldato in modo uniforme; la parte esterna dell'acqua assorbe alcune delle microonde convertendole in calore, quindi la parte interna vede meno microonde. (Spiegazione Handwavy)
Mi ricorda un episodio di Mythbusters che ho visto di recente. Hanno testato la teoria secondo cui annaffiare le piante con acqua bollita per la prima volta in un forno a microonde avrebbe ucciso le piante. In effetti hanno trovato l'esatto contrario. La pianta che è stata annaffiata con acqua scaldata al microonde è effettivamente cresciuta più alta delle piante di controllo.
Per fortuna, hanno anche fatto un episodio che parlava anche dell'acqua surriscaldata al microonde. https://www.youtube.com/watch?v=1_OXM4mr_i0
-1
@Evan La perdita dielettrica è solo un'altra parola per "interazione anelastica con un campo elettrico". Può essere il guscio dell'elettrone, ma in questo caso è la rotazione / vibrazione forzata (al contrario della risonanza) delle molecole polari.
L'effetto di riscaldamento in un riscaldatore a microonde penso sia dovuto alle correnti covezionali di rotazione delle molecole d'acqua verso la sostanza potrebbe essere il microonde della stessa sostanza (acqua) potrebbe aver causato qualcosa di inaspettato piuttosto che semplicemente riscaldarsi
Per farla breve, esplode. :)
Cinque risposte:
#1
+27
Karl
2016-12-01 16:25:00 UTC
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Riscaldare l'acqua su una piastra calda è sicuro, perché il punto più caldo si trova sul fondo della pentola. Là compaiono molte bolle relativamente piccole senza surriscaldare troppo l'acqua, perché c'è molta nucleazione al confine di fase irregolare acciaio-acqua.

In un forno a microonde, il posto più caldo è NELL'acqua. Il vetro non viene riscaldato dal microonde (almeno non molto) e irradia un po 'di calore nell'ambiente circostante.

Problema: nell'acqua pulita, ci sono pochi buoni punti di nucleazione per formare bolle, solo un po' di polvere forse particelle. Quindi l'acqua si surriscalda piuttosto fortemente e una prima bolla che appare può crescere molto prima che abbia raffreddato l'ambiente circostante fino a 100 ° C. Quella bolla enorme può gettare la maggior parte dell'acqua fuori dal bicchiere. Ribolle violentemente.

Btw. un microonde non riscalda il suo contenuto in modo uniforme. Forma un'onda elettromagnetica stazionaria (che non è radiazione, in senso stretto) nel forno, come una corda fatta oscillare rapidamente tra due persone o una corda di chitarra. Il motivo ondulato ha nodi a una distanza di $ 0,5c / f \ approx6 \ \ mathrm {cm} $ (con $ f = 2.45 \ \ mathrm {GHz} $ e velocità della luce $ c $ che ovviamente è un po 'meno nel tuo pollo), dove c'è pochissimo riscaldamento. Ecco perché il forno a microonde ha la piastra rotante, per generare un po ' un riscaldamento uniforme. Per l'acqua pura, non importa, perché la convezione si insinua comunque e distribuisce il calore.

Metto sempre nel microonde bicchieri d'acqua; Sto solo attento a quanto tempo lo metto nel microonde e mescolo brevemente l'acqua ogni 30 secondi circa. Assicurandomi di non finire con l'acqua surriscaldata, tutto ciò che finisce per accadere è che ottengo acqua calda :)
@DoktorJ Il modo più comune per evitare che l'acqua trabocchi è mettere una bacchetta di vetro o simile nella tazza. Aprire il forno ogni pochi secondi mi sembra un po 'macchinoso.
? Detto questo, un bicchiere d'acqua in un forno a microonde si surriscalda senza cambiamenti visibili (bolle di gas), e poi improvvisamente trabocca. Con un po 'di sfortuna, la tua mano impaziente è solo nel forno in quel momento.
#2
+14
Luaan
2016-12-01 21:09:27 UTC
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La modalità di riscaldamento di un bicchiere d'acqua in un microonde e su una stufa è in realtà molto simile. Sebbene sia vero che le radiazioni a microonde penetrano in qualche modo nel corpo idrico, la profondità di penetrazione è piuttosto ridotta.

Il problema principale è che su una stufa si ottiene un riscaldamento uniforme dal basso, con temperature generalmente molto più elevate rispetto al punto di ebollizione dell'acqua. "L'ebollizione" si verifica quando l'acqua sul fondo del contenitore è abbastanza calda da trasformarsi in vapore indipendentemente dalla pressione circostante - in realtà è un po 'più calda del punto di ebollizione. Allo stesso tempo, il resto dell'acqua è notevolmente più fredda, motivo per cui si vedono le bolle molto prima che si tenda a considerare l'acqua a "temperatura di ebollizione".

In un forno a microonde, l'acqua viene riscaldata in modo un po 'diverso. Nel modello più semplice, lo stai riscaldando dai lati, simile a riscaldare un bicchiere d'acqua in un normale forno. Questo fa già un'enorme differenza: poiché stai riscaldando l'acqua dai lati, la maggior parte dell'acqua non viene riscaldata per convezione. L'effetto principale è che il riscaldamento appare molto più uniforme e il calore viene distribuito principalmente attraverso la diffusione: quando l'acqua si avvicina al punto di ebollizione, una grande quantità di acqua è vicina al punto di ebollizione e la convezione non può trasportare quel calore ovunque.

E questo punto è la parte difficile. L'acqua non è in grado di bollire, perché per vaporizzare deve superare la tensione superficiale - e il calore vicino al punto di ebollizione non è ancora abbastanza potente per questo. L'ebollizione è più facile a contatto ad es. lati del vetro, ma non è lì che si trova l'acqua più calda, a differenza di una stufa. E ora, interrompi l'acqua - sbatti dentro, ci metti dentro un caffè, un cucchiaio ... formi una grande superficie in acqua che è già al punto di ebollizione e rimuovi l'unica cosa che impedisce l'ebollizione. Attraverso le superfici appena formate, l'acqua inizia a vaporizzare, il che aumenta la pressione, che interrompe ulteriormente le superfici, provocando un'ulteriore vaporizzazione ... e si ottiene una spruzzata di acqua bollente.

Ora, il modo effettivo le cose che vengono riscaldate in un forno a microonde sono ancora più complesse di così, ma non è davvero necessario spiegare perché il surriscaldamento è un problema molto più grande in un forno che su un fornello, quindi lo lascio così :)

In un certo senso, questo è simile all'effetto Coca-Cola & menthos (sebbene invece della vaporizzazione, l'anidride carbonica in quell'esperimento provenga da una soluzione acquosa). Hai un liquido con anidride carbonica disciolta in equilibrio - infatti, il liquido è già sovrasaturo quando apri la bottiglia a causa del calo di pressione. Lascia cadere i mentos all'interno e crei una grande fonte di nucleazione per l'anidride carbonica disciolta: la superficie della caramella è piuttosto ruvida e diventa più ruvida mentre si dissolve, quindi la tensione superficiale è molto più piccola di quanto sarebbe normalmente, causando il l'anidride carbonica esce rapidamente dalla soluzione, provocando formazione di schiuma ed espansione -> boom.

Quindi, cosa succederebbe se potessi effettivamente riscaldare l'acqua in modo uniforme? L'acqua inizierebbe a bollire lungo i punti di contatto con il vetro, quindi vedresti bolle di acqua bollita che portano via il calore rapidamente. Il "sweetspot" per "acqua che esplode" è esattamente avere sacche di acqua bollente separate da qualsiasi fonte di nucleazione, e quindi introdurre una fonte di nucleazione. Questo è piuttosto difficile da fare anche in un forno a microonde, ma è possibile - e lo stesso rischio si verifica ogni volta che riscaldi un contenitore in modo da non lasciare il massimo calore nei punti a diretto contatto con il contenitore:)

E quanto in profondità il campo delle microonde penetra nell'acqua?
@Karl Se non ricordo male, sono uno o due centimetri per l'assorbimento di 2/3 in acqua fredda. Man mano che l'acqua diventa più calda, la penetrazione è più facile, così vicino al punto di ebollizione, la maggior parte della radiazione passa effettivamente attraverso un tipico bicchiere d'acqua (per essere riflessa dall'altra parte del microonde). Non sono riuscito a trovare un buon modello che tenga conto di tutto in una volta: è davvero piuttosto complicato. Ma questo dovrebbe essere abbastanza vicino per un tipico microonde. Questo è anche il motivo per cui lo scongelamento è così lento (e inutile) in un forno a microonde: la profondità di penetrazione nel ghiaccio è di circa dieci * metri * :)
"si ottiene una spruzzata di acqua bollente" Molto probabilmente, una spruzzata di acqua bollente.
@DavidRicherby Non credo. Quando l'acqua inizia a bollire, è improvvisamente piena di punti di nucleazione in cui l'acqua evapora e la temperatura scende quasi istantaneamente fino a 100 ° C.
@Luaan In realtà non c'è una vera "radiazione" in un forno a microonde. Si forma un motivo a onde stazionarie, che viene distorta dal bicchiere d'acqua. La profondità di penetrazione dipenderà molto dal contenuto di sale / carbonato. Una profondità di penetrazione di due centimetri in un vetro circolare di 5 cm di diametro garantisce una distribuzione del calore abbastanza uniforme. Inoltre, la profondità di penetrazione dipende in gran parte dalla conduttività elettrica (inversamente), mentre il trasferimento di calore dipende dalle proprietà dielettriche. Quindi non esiste un collegamento diretto, mentre hai ragione, il ghiaccio non si riscalda nel microonde.
@Karl Non è così semplice. Il riscaldamento dielettrico dipende dalle proprietà dielettriche della sostanza, il trasferimento di calore no (sebbene sia spesso proporzionale, non è una regola). Man mano che l'acqua diventa più calda, questo effetto diminuisce: la profondità di penetrazione aumenta, quindi viene assorbita meno energia. E l'assorbimento non è nemmeno superiore a quei 2 cm: pensa alla curva di assorbimento con la profondità, non c'è quasi nessun assorbimento ai bordi. Questo è il problema centrale qui - la "pelle" del liquido non si riscalda abbastanza da bollire, mentre l'interno sì - il trasferimento di calore tra i due è molto lento.
@Karl La temperatura che scende rapidamente a 100 ° C sembra molto plausibile - buon punto. Ma 5 cm sarebbe un vetro molto stretto.
@DavidRicherby Alla tua mano, ovviamente non fa differenza se viene colpito da acqua surriscaldata o da una quantità equivalente di vapore condensante. Autsch! ;-)
#3
+8
Whit3rd
2016-12-01 15:53:39 UTC
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Un bicchiere d'acqua cotto al microonde "sbatterà" se la vetreria è pulita e il riscaldamento del microonde è uniforme. L'acqua ha una certa resistenza alla trazione, quindi non si formerà una bolla alla temperatura di ebollizione esatta senza un nucleo (bassa tensione superficiale dovuta a un vuoto di gas in una pietra bollente, per esempio), quindi il liquido può surriscaldarsi. Quando si raggiunge il liquido caldo, può accadere che lo spostamento del liquido nel contenitore provochi un'eruzione mentre il liquido surriscaldato bolle.

È anche vero che anche senza un nucleo si forma un bolla, la superficie dell'aria / acqua calda evaporerà rapidamente il vapore acqueo, ma questo ha l'effetto di raffreddare la superficie dell'acqua e se l'acqua non è in movimento, si formerà uno strato di acqua fredda sulla superficie anche se la maggior parte del l'acqua si surriscalda.

Il surriscaldamento è pericoloso, ovviamente; se la tua mano tiene la tazza quando urta, è probabile che si verifichi un'ustione. Un cucchiaio immerso in acqua surriscaldata di solito lo farà scoppiare. Alla fine, un raggio cosmico lo farà esplodere.

L'acqua non ha qui una "resistenza alla trazione" rilevante, è la tensione superficiale della futura bolla che le impedisce di crescere, fino a quando l'acqua è abbastanza calda da superare la tensione superficiale. L'eruzione può e avverrà spontaneamente.
La resistenza alla trazione è un modo per esprimere la difficoltà di formare una piccola bolla (quando la tensione superficiale è proporzionale a 1 / r, le piccole bolle che si formano termicamente devono crescere oltre una dimensione critica o collassano). Una piccola bolla in un liquido è inibita proprio come una piccola crepa in un solido, dalla "resistenza alla trazione".
I chimici dovrebbero concordare di chiamare tensione superficiale per la resistenza alla trazione del liquido in queste circostanze. Ho capito cosa intendevi e mi è piaciuta l'espressione. Ti sostengo Whit3rd. I chimici fanno dell'imprecisione una scienza! La tua risposta è totalmente entro +/- 1 logaritmo della risposta probabile, il che è abbastanza buono :-P
Il fenomeno ha alcune somiglianze con https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength, ma è solo qualcosa di diverso. Perché usi un cattivo analogo quando conosci meglio (dimensione critica della bolla) e c'è una spiegazione perfetta e diretta? Sono un chimico e lo trovo altamente antiscientifico, @StianYttervik!
Perché la differenza filosofica tra fisica, scienza dei materiali e chimica sono i modelli che utilizziamo per spiegare i diversi fenomeni. Sebbene non sia rigoroso spiegare la tensione superficiale come resistenza come la resistenza alla trazione, è esattamente qualcosa che un chimico potrebbe usare come spiegazione per un fenomeno osservato. E poi siamo davvero d'accordo sul fatto che il miglior modello complessivo sarebbe la tensione superficiale. Nessun argomento contro di esso, e sarei stato arrabbiato nel vederlo usato formalmente. Ma qui è usato in modo informale e, a mio avviso, in modo appropriato. Per questo fenomeno, il modello funziona.
Naturalmente l'altro pericolo dell'acqua surriscaldata è che, non solo è soggetta a eruttare su di te ma, quando lo fa, è, per definizione, più calda dell'acqua bollente, quindi ti scotta più forte di quanto farebbe l'acqua bollente.
#4
  0
Arvin Kushwaha
2016-12-20 20:26:12 UTC
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L'acqua è una molecola polare come sai. Ciò significa che ha fini positivi e negativi. Il microonde è un'onda elettromagnetica. Queste onde sono la frequenza giusta per far vibrare le molecole e causare tensione. Come sapete, la temperatura è definita come l'energia cinetica di una particella. Ciò significa che l'acqua si riscalderebbe. Ma la vibrazione direzionale dell'acqua dipende da dove si trova nel microonde. Questo è quasi casuale. I movimenti casuali possono entrare in collisione con impurità e caratteristiche frastagliate del contenitore o dell'acqua per nucleare le bolle. Ciò significa che la bolla fluttuerebbe fuori dalla soluzione. Ciò si traduce in ebollizione. Se l'acqua è pura e il contenitore è liscio, l'acqua non avrà un punto di nucleazione e non farà bolle. Quello che accadrà è che alcune delle molecole d'acqua usciranno semplicemente a vapore, ma il resto delle molecole non ha modo di nucleare finché qualcosa non entra, come un cucchiaio o lo zucchero.

#5
  0
ErikB
2018-01-18 01:57:55 UTC
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Stai sempre lontano dal centro del piatto, piuttosto metti la tazza o il bicchiere su un lato in modo che viaggi di più durante il riscaldamento.

Le microonde hanno "onde fisse" e dovrebbe esserci una regione di acqua sempre sotto un'onda specifica, l'acqua esploderà proprio come una goccia d'acqua in OLIO. Vuole evaporare, senza aria intorno per farlo, quindi BOOM deve andare da qualche parte, e lo fa.

D'altra parte, fallo girare intorno al piatto, evitando il punto morto, le onde si limiterà a riscaldare l'acqua a poco a poco, fino a far bollire e creare movimento e bolle, quindi spazio per il vapore.

Cerca di evitare il centro del piatto girevole ogni volta che metto il cibo nel microonde anche lasciando uno spazio nel cibo se il piatto è più grande della metà del diametro del piatto.

Ho letto da qualche parte "fai un buco al centro del cibo che si riscalderà in modo più uniforme". Bene, SOLO se quel foro è allineato con il centro del piatto rotante, allora sì.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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