微波炉是什么原理为何能够隔空快速加热食物?

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微波炉是我们生活中常用的一种电器,加热速度非常快,少量的食物甚至能够在几十秒钟之内就加热至高温,使用起来非常快捷、方便。在这小小的微波炉中,我们也并没有发现它内部有什么发热装置,甚至无需接触内部面板,那么它是如何隔空让食物变热的呢?这里我们就来了解一下微波炉的加热原理。

  什么是热?

首先微波的的目标是将食物加热,那么什么是热呢?物体有多热,我们通常用温度表示,温度的本质实际上是指物质内部原子的运动剧烈程度,温度越高,内部原子的平均运动速率越大,热运动越剧烈。

  物体内微观粒子的平均动能与温度的关系

对于固体来说,每个原子都会受到周围粒子各种力的作用,因此会有一个受力平衡的位置,不能任意运动,在宏观上就表现为具有一定形状。但原子可以在平衡位置上发生振动,原子振动的越剧烈,那么它宏观上的表现就是温度越高。

  因此,想要提高物体的温度,就需要让内部原子运动的变得剧烈起来,普通的加热方式主要是利用热传导,即让高温物体的热量通过接触传入低温物体,这个过程的发生,实际上就是高温物体内部原子与体温物体内部原子在接触位置发生弹性碰撞,于是将原子动能传递给低温物体,这时低温物体内部原子的运动也逐渐加快,温度就慢慢的升高了。

我们常见的用火将物体烧热、用电饭煲煮饭都是利用的热传导的方式,但热传导加热通常会比较慢,这是因为:原子运动是要从外到里逐渐传递,这个过程需要一定的时间,因为这与物体的导热性有很大的关系,同时与两物体的温差有关,温差越大,传递速度越快,因此需要一个高温热源,而利用高温热源热量又会快速向周围耗散,所以效率不高。

微波炉的原理则与传统的这种加热方式完全不同,它是利用快速变化的电场来直接影响食物内部的原子运动,从而对食物进行加热。这个电场会作用于食物内部的极性分子,极性分子在变化电场的作用下会剧烈运动。

微波与极性水分子的作用

微波微波炉在加热食物时,会发射大量的微波,这个微波其实就是电磁波,因为它发射的电磁波长较短,因此称为微波。微波由于波长较短,频率就会很大,微波炉所发射的微波频率约为2.5GHz。

电磁波实际上是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,在传播过程中不断发生电场与磁场的变换,而加热食物就是利用这不断变化的电场影响食物内部的极性水分子,那么什么是极性分子呢?我们得继续作个了解。

  极性水分子分子是由多个原子构成的,这些原子依靠化学键结合在一起,水分子则是由一个氧原子和两个氢原子通过共价键结合。原子是由原子核和核外电子组成的,原子核带正电,电子带负电。原子核的每一层电子都有一个最稳定的结构,当多个原子处于不稳定结构时,就可以通过共用电子对来形成更稳定的结构。水分子中的氢原子和氧原子就是这么结合的。

共用电子对处于两个原子之间,但由于两个原子核所带电荷不同,对它们之间的共用电子的作用力也不同,因此会导致中间的共用电子对发生偏移,电子偏向氧原子端,于是氧原子端会显负电,而氢原子端会显正电,这就相当于形成了一个偶极子(我们可以把它想象成一个药丸结构,其中一端带正电,一端带负电)。我们把形成的这种分子称为极性分子(或者我们可以理解为整个分子中的正电与负电的电荷中心不会重合),水就是一种极性分子。

微波与水分子的作用那么,因为极性水分子分子两端带不同的电荷,在外加电场时,极性分子的两端会受到电场力的作用而运动起来。微波我们可以看成是快速变化的电场在空间中传播,电场的变化频率与微波的频率一致,约为2.5GHz,也就是电场的大小和方向在一秒钟之内变化25亿次,在这个电场作用下,水分子会不停地发生振荡和旋转,导致水分子快速运动起来。同时水分子的热运动迅速传递给周边分子,于是食物就被迅速加热了。

  极性分子受到电场力的作用

  电磁波传播时,电场磁场不断发生变化

  受热的蛋白质发生热运动

微波炉发射微波微波炉中发射微波的装置为磁控管,磁控管中心的阴极由于被加热会发射出电子,阴极外面包围着一个阳极,与阴极之间会产生一个电场。同时在阴极与阳极之间会加上磁场,于是发射出的电子会在两极之间作轮摆线运动,电子的快速运动会使阳极上的空腔产生2.45Ghz的变化电场,于是产生振荡电磁场发射微波,再通过导波管将微波导出至炉腔内,从而加热食物。

  由于微波炉发出的微波直接作用于食物中的原子,因此,可以同时将食物的内外加热,加热效率非常高,通常一盘菜加热仅需几十秒到一分钟。并且由于无需使用热源,能量损耗较少所以比较节能。

但由于电磁波会被金属给反射,因此加热食物时,不能将金属餐具放入,否则反射回的微波会损害电磁炉。也不能加热具有密封性的食物,因为内部迅速被加热会膨胀,导致食物炸开,比如鸡蛋。

因此,在使用微波炉时,需要多注意,哪些食物能直接加热,哪些不能直接加热。不过当你了解了微波炉作用原理之后,这个问题你自己便能够很快的进行判断,所以说,对于科学知识的储备的确可以给我们个人的生活减少很多烦恼。

以上就是关于微波炉加热食物的科学原理,简单总结一下,就是微波炉首先会发射出能量密度较大的微波,微波产生的变化电场会作用于食物中的极性水分子,引起水分子的剧烈振荡,而热的本质就是原子的快速运动,于是食物就被加热了。

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