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微波只加熱水分子?微波加熱原理深入解析

已更新:11月28日

微波只加熱物體中的水? 所以不能加熱乾燥的東西,也只能將咖啡豆加熱到水的沸點100℃?


這些問題在研發烘豆機的過程中被問過太多次了,我們不想單純用「對/不對」來敷衍了事,這樣無法進一步思考討論。

本文希望儘可能提供完整脈絡,讓烘豆機使用者快速進入狀況,省去一開始摸索的痛苦過程


先講結論:

微波可以加熱很多東西,絕對不只加熱水!!!


以下內容就來仔細探討微波加熱的原理,同時澄清一些常被誤解的概念。


溫度是什麼?溫度為什麼會上升?

溫度是描述物體冷熱程度的物理量,更進一步來說是微觀粒子進行「熱運動」的激烈程度。什麼是熱運動呢?熱運動是微觀粒子的無規則運動,除非降到絕對零度,否則這種運動不會停止。

我們可以透過統計一群粒子的平均動能,計算後轉換成人類能感受到的溫度。平均動能越大,溫度就越高。

因此若是加熱一個物體,不論是用瓦斯、紅外線還是微波,微觀上來說都是讓粒子動得更快,熱源差異影響的是加熱效率與穿透性。



微波是什麼?

微波與可見光、紅外線都是電磁波的一種,電磁波是快速變化的電場與磁場以波的形式傳遞能量,依據波長不同分成無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線等等頻帶。

微波能夠進行深度加熱,而且直接對物體加熱,不須透過熱空氣或鍋爐壁,所以溫升速率可以及時調整,幾乎不會延遲。



微波可以讓分子「動」得更快?

要解釋這個問題,需要先介紹電偶極(electric dipole)

如果分子內部電荷分布不均,一端帶正電另一端帶負電,但是整體成電中性,那麼我們說這個分子是電偶極。

電偶極在電場中會傾向沿著電場方向排列,正電那端會受到指向電場方向的力,負電那端則是受到大小相同方向相反的力;電偶極在電場中的行為就如同磁鐵在磁場中,磁鐵的N極與S極會受力而移動或轉動。

微波提供快速變化的電場,物體中的極性分子被電場帶動,分子「動」得越快動能越大,於是我們就可以觀察到物體溫度上升。


什麼物質容易被微波加熱?

前面提到快速變化的電場可以加熱極性分子,是不是所有電磁波不論波長都有同樣的效果呢? 沒錯,基本上都可以加熱,但是波長和頻率不同,穿透力和加熱效能會有所不同。

舉個比較直觀的例子,如果要讓鞦韆盪起來,在鞦韆盪到最高處的時候推一把,是比較有效率的做法,反之如果推的時機不對就會浪費力氣。

微波提供的電場變化速度剛好很適合加熱大多數的極性分子,可以在對的時機「推」他們一把,讓分子們動起來。 物質吸收電磁波能量的程度可以用Loss Tangent表示,Loss Tangent越大越容易被加熱

舉幾種常見東西的Loss Tangent:蒸餾水0.157,脂肪0.21,奶油0.155,石英0.0001,生牛肉0.33,蛋白0.5(列表在這邊https://www.microwaves101.com/encyclopedias/miscellaneous-dielectric-constants


需要注意的是物質溫升的幅度還需要考慮比熱,比熱如果太大,儘管Loss Tangent不低,物質吸收不少能量,但是溫升還是會被太大的比熱拖累。


總結

溫度描述了物質的微觀動能,動能越大溫度越高;

微波提供快速變化的電場,電場可以讓具備電偶極特性的分子運動,分子運動代表微觀動能增加,於是我們就觀察到溫度上升了。

具備電偶極特性的物質很多,除了水之外很多物質都可以用微波加熱,自然也可以加熱物體超過水的沸點。咖啡豆裡面的醣類、脂質、蛋白質都會吸收微波,可以正常的被加熱到轉黃、一爆、二爆,不會因為自由水在加熱過程中逸散就無法加熱。


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