題:
用微波爐一杯水會發生什麼?
paracetamol
2016-12-01 15:19:38 UTC
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我們大多數人都已經知道了微波食品背後的簡化概念:微波輻射撞擊食物中存在的水分子,這會激發它們並使電磁輻射在原位快速振動,從而導致加熱。食物。非常簡單。

但是,如果您決定用微波爐加熱一杯水怎麼辦?

我似乎找不到任何可靠的文獻來解決這一問題。許多高度不可靠的站點從“水變成有毒的”到“水變成放射性的”胡說八道,所以我立即解雇了那些。但是,一些消息來源暗示“水會爆炸”。

現在,我的印像是水煮沸的時間可能比簡單煮沸的時間要快。在下麵點燃火。

因此,在閱讀了最後幾篇文章後,並不難相信會發生爆炸。最初,我只是將我的“快速煮沸”理論外推到“ 非常快速煮沸”理論,並且對此感到滿意。這對我來說很有意義,因為我認為,就像傳統的開水方法一樣,儘管會以更快的速度在玻璃底部形成氣泡,但氣泡的形成,堆積,上升,從而導致爆炸。但是經過一番思考,我發現這種“外推法”存在問題。

為什麼當您常規加熱水時,氣泡首先會形成?僅僅在燒杯下點燃火不能不能確保整個燒杯中的所有內容同時被均勻加熱。顯然,與燒杯底部直接接觸的水分子層將很快加熱。它們上升,冷水下降,等等,您知道這筆交易:對流。正是由於底部區域與其餘部分水之間的溫差較大,使得底部的水在某些點處蒸發而形成氣泡,而緊接其上方的水仍處於液態。

我看到的一個問題使我無法將這一理論擴展到微波水中:在微波情況下,加熱的模式是不同的:輻射

現在,因為輻射輻射在加熱給定體積時比對流更快;出於所有實際目的,我認為可以肯定地接受燒杯中的水均勻加熱(燒杯的尺寸非常普通...它的尺寸不是它的光強度比光/電磁輻射的速度大一個數量級,因此可以將設備“均勻加熱”。在有人不可避免地在評論中指出所有不可能同時在精確加熱到這樣的恆定溫度)。

因此,如果將燒杯均勻加熱 ,沒理由形成氣泡...換句話說,我看不到爆炸。

那麼,如果用微波爐加熱一杯水,那會發生什麼呢?

它會迅速穩定地蒸發嗎?會爆炸嗎?還是發生其他事情?而為什麼會發生?

微波輻射的能量太低,無法引起分子振動。它引起分子旋轉。
玻璃是無關緊要的。水被微波加熱,玻璃被熱水加熱。剩下的全是廢話。
我認為“爆炸”是有道理的有效答案。在非常光滑的玻璃容器中加熱水相當容易。過熱的水高於沸點,但沒有沸騰,在受到某種衝擊或某種種子的情況下,沸騰會非常劇烈。
HTTPS://嗚嗚嗚.YouTube.com/watch?V=2FC為r YF UB LM
@MaxW也是我很長一段時間以來的想法,但是[此Wikipedia文章](https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water)引用了[本文](https://dx.doi.org/10.1016 %2FS0022-3093(02)01084-0)作為論點的一部分,它實際上是激發水中氫鍵網絡廣泛吸收振動的原因。
我在這個站點上不太有經驗,但是這個問題不是更適合[physics.se]嗎?
我一直在這樣做,但是由於上述答案中的充分原因,每當我使用透明玻璃時,我都會在其中放一個陶瓷[Raschig環](https://en.wikipedia.org/wiki/Raschig_ring)。為此,我家裡有一個人,是十年前從大學偷來的。但是話又說回來,我是一個書呆子。
實際上,兩者都不是:)微波爐(通常為2.4 GHz)的頻率太低,無法有效地激發分子的振動或旋轉。微波爐中的水加熱來自[介電損耗](https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_loss)。這是當微波電場來回推動電子時(而不是像分子振動和旋轉一樣,是原子核)。移動的電子表現出一些損耗,類似於導體中的歐姆加熱。
一杯水不能被均勻加熱;水的外層通過將其轉化為熱量來吸收一些微波,因此內層的微波較少。 (手波浪的解釋)
讓我想起了我最近看過的《 Mythbusters》一集。他們測試了一種理論,即首先用微波爐煮沸的水澆灌植物會殺死植物。實際上,他們發現完全相反。用微波水澆灌的植物實際上比對照植物高。
幸運的是,他們還做了一集,也談到了過熱的微波水。 https://www.youtube.com/watch?v=1_OXM4mr_i0
材料的@ByteCommander(Di-electricity)特性是化學領域以及物理領域中的一個主題。從某種意義上說,許多化學家比物理學家了解得多。 (除了微波爐中的駐波圖,我們都很高興地將這些留給您的電氣工程師。;-))
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我認為微波加熱器中的加熱效果是由於水分子向該物質旋轉的對流引起的,這可能是同一物質(水)的微波輻射可能引起了意想不到的事情,而不僅僅是被加熱了
長話短說,它爆炸。:)
五 答案:
Karl
2016-12-01 16:25:00 UTC
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在加熱板上加熱水是安全的,因為最熱的點在鍋的底部。在那裡出現了很多相對較小的氣泡,而沒有太多的水過熱,這是因為在不均勻的相界鋼水上有很多成核作用。

在微波爐中,最熱的地方在水中。玻璃不會被微波加熱(至少不會被加熱),而是向周圍散發一些熱量。

問題:在乾淨的水中,幾乎沒有形成氣泡的良好成核點,只有一些灰塵顆粒。因此水會變得非常過熱,出現的第一個氣泡在將周圍的溫度降至100°C之前可能會大量增長。那一個巨大的氣泡可以將大部分水倒出玻璃杯。它劇烈地沸騰了。

順便說一句。微波不能均勻加熱其內容物。它在烤箱中形成站立的電磁波(嚴格來說,不是輻射),就像在兩個人之間快速搖動的繩索或吉他弦一樣。波形在 $ 0.5c / f \ approx6 \ \ mathrm {cm} $ span>的距離處有結( $ f = 2.45 \ \ mathrm {GHz} $ span>和光速 $ c $ span>當然,在您的中,雞),那裡幾乎沒有暖氣。這就是為什麼微波爐具有旋轉板以產生 some 均勻加熱的原因。對於純淨水而言,這無關緊要,因為無論如何對流會凝固並散發熱量。

我一直在用微波爐加熱水;我只是小心要用多長時間微波,然後每30秒左右短暫攪拌一次水。通過確保我不帶任何過熱的水,最終發生的一切就是我得到了熱水:)
@DoktorJ防止水沸騰的最常見方法是在杯子中放入玻璃棒或類似物品。每隔幾秒鐘打開烤箱對我來說有點麻煩。
?有人說,微波爐中的一杯水會過熱而沒有明顯的變化(氣泡),然後突然沸騰。運氣不好的時候,您不耐煩的手正好在烤箱裡。
Luaan
2016-12-01 21:09:27 UTC
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在微波爐和火爐上加熱水杯的方式實際上非常相似。雖然確實微波輻射可以一定程度地滲透到水體內,但滲透深度卻很小。

主要問題是,在爐子上,您會從底部獲得均勻的加熱,溫度通常要高得多超過水的沸點。當容器底部的水變熱到足以變成蒸氣而不考慮周圍壓力時,就會發生“沸騰”,實際上它比沸點高一點。同時,其餘的水明顯更冷,這就是為什麼您在很久以前就傾向於將水視為“沸騰溫度”之前就看到了氣泡的原因。

在微波爐中,水被加熱了以某種不同的方式。在最簡單的模型中,您是從側面加熱-類似於在普通烤箱中加熱一杯水。這已經產生了巨大的變化-由於您是從側面加熱水,因此大部分水不會通過對流加熱。主要作用是使加熱看起來更加均勻,並且熱量主要通過擴散進行分配-當水接近沸點時,大量水接近沸點,對流無法進行隨處可見的熱量。

這是棘手的部分。水不能沸騰,因為要汽化,它必須克服表面張力-而且沸點附近的熱量還不夠強大。沸騰最容易與例如玻璃的兩面,但這不是最熱的水所在,與爐子不同。而現在,您破壞了水-撞到其中,將咖啡倒入其中,用勺子...在已經沸騰的水中形成了很大的表面積,並去除了唯一阻止其沸騰的東西。在新形成的表面上,水開始汽化,這增加了壓力,這進一步破壞了表面,導致了進一步的汽化……您會濺出沸騰的熱水。

現在,實際的方法東西在微波爐中加熱的過程甚至比這還要復雜-但這並不需要真正解釋為什麼過熱在烤箱中比在爐子上更大的問題,因此我將其保留為:)

在某種程度上,這類似於焦炭&的薄荷效應(儘管不是汽化,而是該實驗中的二氧化碳來自水溶液)。您的液體中的溶解二氧化碳處於平衡狀態-實際上,由於壓力下降,當您打開瓶子時,該液體已經過飽和。將薄荷糖放入內部,您會為溶解的二氧化碳創造一個很好的成核源-糖果的表面相當粗糙,溶解時會變得更粗糙,因此表面張力比通常情況要小得多,從而導致二氧化碳迅速從溶液中逸出,引起泡沫和膨脹->噴桿。

那麼,如果您實際上可以均勻地加熱水會發生什麼?水會沿著與玻璃接觸的點開始沸騰,因此您會看到沸騰的氣泡迅速帶走熱量。 “爆炸水”的“甜蜜點”恰好有來自任何成核源的沸騰水 ,然後引入了成核源。即使在微波爐中,這也很難做到,但是有可能-並且在以任何方式加熱容器時都存在相同的危害,即不會在與容器直接接觸的地方留下最多的熱量:)

微波場能滲透到水中多深?
@Karl如果我沒記錯的話,在冷水中吸收2/3秒的時間是一或兩厘米。隨著水變熱,滲透更容易,因此接近沸點,大部分輻射實際上使水穿過典型的玻璃水(在微波的另一側反射)。我找不到一個可以同時考慮所有因素的好的模型-這確實很複雜。但這對於典型的微波應該足夠接近。這也是為什麼在微波爐中解凍如此緩慢(而且毫無意義)的原因-冰中的滲透深度約為十*米* :)
“您會濺出沸騰的熱水”最有可能的是,一滴以上的沸騰熱水。
@DavidRicherby我不這麼認為。當水開始沸騰時,它突然充滿水蒸發的成核點,溫度幾乎立即下降到100°C。
@Luaan實際上,微波爐中沒有真正的“輻射”。形成了駐波圖案,該駐波圖案被玻璃水扭曲。滲透深度將在很大程度上取決於鹽/碳酸鹽的含量。直徑為5厘米的圓形玻璃的穿透深度為2厘米,可以使熱量均勻分佈。 Afaik的滲透深度在很大程度上取決於電導率(反之),而熱傳遞則取決於介電特性。因此,沒有直接連接,當您正確時,冰不會在微波爐中加熱。
@Karl並不是那麼簡單。介電加熱取決於物質的介電性質,而傳熱則不(儘管通常成比例,但這不是規則)。隨著水變熱,這種作用減弱-滲透深度增加,因此吸收的能量更少。而且吸收甚至沒有超過2厘米-考慮深度的吸收曲線,邊緣幾乎沒有吸收。這是這裡的核心問題-液體的“表皮”沒有變熱到足以沸騰,而內部卻要沸騰-兩者之間的傳熱非常緩慢。
@Karl溫度迅速下降到100C聽起來很合理-很好。但是5厘米將是一個非常狹窄的玻璃杯。
@DavidRicherby對於您的手,如果它被過熱的水或等量的冷凝蒸汽撞擊,則毫無區別。奧奇! ;-)
Whit3rd
2016-12-01 15:53:39 UTC
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如果玻璃器皿乾淨且微波加熱均勻,則微波水杯會“起皺”。水俱有一定的抗張強度,因此在沒有某些晶核的情況下,在精確的沸騰溫度下不會形成氣泡(例如,由於沸騰的石頭中有氣泡導致表面張力低),因此液體可能會過熱。伸手去拿熱液體時,有可能是由於過熱的液體沸騰而使液體在容器中移動而引起噴發。

的確如此,即使沒有核也不會形成核。氣泡,空氣/熱水錶面將迅速蒸發水蒸氣,但這具有冷卻水錶面的作用,如果水不運動,即使表面上的大部分水仍會在表面形成冷水層水變得過熱。

過熱當然是危險的;如果手碰到杯子時碰到它,可能會燙傷。放到過熱水中的湯匙通常會使它爆發。最終,宇宙射線會使它發出。

在這裡,水沒有相關的“拉伸強度”,是待氣泡的表面張力阻止了氣泡的生長,直到水變得足夠熱以克服表面張力為止。噴發會並且自然會發生。
拉伸強度是表達形成小氣泡困難的一種方法(當表面張力與1 / r成比例時,熱形成的小氣泡必須生長超過臨界尺寸,否則它們會崩潰)。液體中的小氣泡與固體中的小裂紋一樣,被“拉伸強度”抑制。
在這種情況下,化學家應同意將表面張力稱為液體的抗張強度。我了解您的意思,並且喜歡這種表達方式。我支持你Whit3rd。化學家將不精確性視為一門科學!您的答案完全在可能答案的+/- 1對數內,這已經足夠了:-P
這種現象與https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength有一些相似之處,但只是有所不同。當您了解得更多(氣泡的臨界尺寸)並且有一個完美,直接的解釋時,為什麼還要使用不良的模擬?我是化學家,並且發現這種高度不科學的@StianYttervik!
因為物理學,材料科學和化學之間的哲學差異是我們用來解釋不同現象的模型。儘管並不嚴格地將表面張力解釋為諸如抗張強度之類的電阻,但化學家確實可以用它來解釋觀察到的現象。然後我們確實最終同意,總體上最好的模型是表面張力。沒有人反對它,我很可能會看到它被正式使用。但是在這裡它是非正式使用的,我認為是適當的。對於這種現象-模型起作用。
當然,過熱水的另一個危險是,不僅容易在您身上噴發,而且,從定義上講,它比沸騰的水還熱,因此比沸騰的水更難燙傷您。
Arvin Kushwaha
2016-12-20 20:26:12 UTC
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眾所周知,水是一種極性分子。這意味著它具有正反兩面。微波是電磁波。這些波是導致分子振動並引起張力的正確頻率。如您所知,溫度定義為粒子的動能。這意味著水會變熱。但是水的定向振動取決於它在微波中的位置。這幾乎是隨機的。隨機運動可能會與雜質或容器或水的鋸齒狀特徵碰撞,從而使氣泡成核。這意味著氣泡將浮出溶液。這導致沸騰。如果水是純淨的,且容器是光滑的,則水將沒有成核點,也不會起泡。將會發生的事情是,一些水分子只會蒸出,而其餘的分子只有在像勺子或糖這樣的東西進入之前,才能成核。

ErikB
2018-01-18 01:57:55 UTC
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始終保持遠離盤子中心的位置,而不是將杯子或玻璃杯放在一邊,以便在加熱時傳播最多。

微波具有“固定波”,應該有一個區域水總是在特定的波浪作用下爆炸,就像油中的一滴水一樣爆炸。它想蒸發,周圍沒有空氣,所以BOOM需蒸發到某個地方,然後蒸發。

另一方面,使其蒸發散落在盤子上,避免死點,波浪只會一點一點地加熱水,最終沸騰並產生運動和氣泡,從而為蒸氣散佈空間。

每當我將食物放入微波爐中時,都要盡量避免旋轉盤的中心同樣,如果盤子的直徑大於盤子直徑的一半,那麼即使在食物中也會留有空間。

我在某處讀到“在食物的中間打一個洞,它將使加熱更加均勻”。好吧,僅當該孔與旋轉盤的中間對齊時,才可以。



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