En un horno de microondas, ¿por qué las porciones más pequeñas se calientan más rápido?

El magnetrón inyecta radiación de microondas a cierta velocidad. Ignorando las pérdidas, esa radiación rebota por las paredes hasta que es absorbida por la comida. Si coloca dos burritos en lugar de uno, en promedio habrá menos rebotes antes de la absorción. Eso significa que con dos burritos, la intensidad promedio de la radiación que incide en cualquier punto es menor: algunos de los fotones, si quieres pensarlo de esa manera, habrían estado dando en el lugar y no están allí porque ya lo han hecho. sido absorbido.

Esto es bastante diferente de un horno normal: siempre que haya suficiente potencia para mantener la temperatura del aire en la configuración deseada, no importa cuántos burritos coloque allí, siempre que haya espacio de aire entre ellos. Se calientan por conducción del aire, que no se ve afectado por los vecinos, y la radiación de cuerpo negro del entorno, que solo se ve un poco afectada.

Dejar$P$ser el poder (en$\mathrm{Watt}$) el microondas entrega entonces un modelo de calentamiento simple se puede establecer de la siguiente manera.

la energía calorífica$q$necesaria para calentar un objeto es:

dónde$\varepsilon$es un factor de eficiencia (para productos alimenticios con un alto contenido de humedad/agua)$\varepsilon \approx 0.9 - 1$).$m$es la masa del objeto,$c_p$su capacidad calorífica específica y$\Delta T$su aumento de temperatura al calentar.

Porque:

Entonces se puede demostrar con un cálculo mínimo que el tiempo de calentamiento$\Delta t$es dado por:

Así que todas las demás cosas son iguales (misma composición, mismo$\Delta T$), objetos de menor masa$m$requieren tiempos de calentamiento menores.

Los microondas no llenan el gabinete de microondas de manera uniforme. Forman un "patrón de onda estacionaria" con regiones de alta y baja intensidad. Cuando se coloca algo en el gabinete, distorsiona el patrón de onda estacionaria, por lo que el patrón de porciones calientes y menos calientes puede cambiar. La razón por la que la mayoría de los hornos de microondas incluyen un plato giratorio es para intentar "difuminar" la exposición de las diferentes partes de lo que se está cocinando para que el calentamiento sea más uniforme.

Supongo que está comparando un horno de microondas con un horno convencional.

En resumen, la razón es que la energía de microondas penetra la comida más profundamente que un horno convencional. Como resultado, una pequeña porción se calentará más rápido en un horno de microondas que en un horno convencional donde la energía electromagnética absorbida es principalmente infrarroja.

Por otro lado, aunque la temperatura de la pequeña porción es más uniforme para un horno de microondas, la temperatura en la superficie de la pequeña porción es mayor para la radiación infrarroja. Esto se debe a que la mayor parte de los IR se absorbe en las capas exteriores de la porción.

Espero que esto ayude.

Digamos que tienes un vaso de agua. Debería ser bastante obvio que la cantidad de energía requerida para calentar el agua se correlaciona positivamente con la cantidad de agua. De lo contrario, estaría argumentando que es tan fácil calentar una olla de agua un grado como calentar un océano un grado.

Entonces, ¿cómo calienta algo un horno o un microondas? Aplica energía durante una cierta cantidad de tiempo. Pero la salida de energía del microondas (funcionando al máximo) es fija , por lo que la única otra variable que puede influir en el aumento de temperatura del objeto interior es el tiempo.

Nota: vea la respuesta de @Gert para las matemáticas.

La energía enviada a la cámara de un horno de microondas se deposita casi por completo en el contenido de humedad de la cámara.

Las paredes de la cámara son de metal o tienen agujeros demasiado pequeños para que salga la radiación de microondas. El magnetrón y otros componentes pueden absorber la radiación de microondas, pero si hay una cantidad no trivial de humedad en la cámara de cocción, la absorbe casi toda.

La comida tiene la mayor parte de la humedad, por lo que la mayor parte de la energía bombeada a la cámara de cocción del microondas va a la comida. Si hay más alimento, se deposita menos energía por unidad de alimento.

Las microondas penetran razonablemente profundamente en los alimentos, calentando no solo la superficie sino también parte del interior.

En comparación, un horno eléctrico convencional calienta los elementos como radiadores de cuerpo negro. La mayor parte de esta energía está en forma de luz infrarroja, que se deposita razonablemente bien en los alimentos, las paredes del horno e incluso en el aire del horno.

La transferencia de calor a los alimentos se produce a partir de la interacción física aire-alimento, la interacción física alimento-plato y la luz infrarroja que irradian los elementos calefactores y las paredes de la cámara.

Esto no penetra profundamente en la comida, a diferencia de la radiación de microondas. El interior de la comida se calienta principalmente a través de la conducción desde la superficie calentada, en lugar de directamente desde los fotones infrarrojos.

Esto significa que si intenta calentar comida rápidamente en un horno, la superficie se quema mientras que el interior permanece relativamente frío. Puede ver este efecto cuando tuesta pan debajo de un asador; la parte superior (cerca del asador) puede carbonizarse mientras que la parte inferior del trozo de pan se mantiene fría.

Entonces calienta el horno a una temperatura que no quemará la superficie de la comida antes de que el interior esté cocido o calentado.

Aquí pasan dos cosas.

En primer lugar, para muchas tareas de cocción, gran parte de la energía térmica se irradia desde el exterior del horno, en lugar de hacia la comida. La energía se gasta manteniendo caliente la cámara de cocción, no depositando energía directamente en los alimentos.

En segundo lugar, la limitación de la tasa de cocción está en la transferencia de calor desde la superficie de los alimentos hacia el interior. A menos que su horno esté lleno, esto no se limita a agregar más alimentos.

Ahora, agregar más alimentos puede ralentizar el proceso de cocción del horno.

Si toma un pavo pequeño y lo cocina, se cocinará más rápido que uno grande; aquí, la "más comida" forma una capa aislante alrededor del interior del pavo, lo que ralentiza el proceso de cocción.

Pero si tiene un horno grande y coloca una salchicha adicional razonablemente lejos de una existente, las dos salchichas (a) no enfrían el horno significativamente y (b) no interfieren con el calentamiento del interior de la otra salchicha. .

Las mismas salchichas 2nd en un horno de microondas absorberían fotones MW que la otra salchicha habría absorbido, lo que ralentizaría el proceso de calentamiento.

Hay una buena respuesta de Gert, que explica en términos clásicos que, en igualdad de condiciones, los objetos de menor masa requieren tiempos de calentamiento más pequeños. Ahora siento que necesito agregar sobre el mecanismo subyacente.

Ahora, las microondas están calibradas para que correspondan a las vibraciones de las moléculas de agua, por lo que pueden transferir energía de manera efectiva a las moléculas de agua (energía cinética), libertad rotacional y vibratoria.

Esto induce a las moléculas polares del alimento a rotar y producir energía térmica en un proceso conocido como calentamiento dieléctrico. Los hornos de microondas calientan los alimentos de manera rápida y eficiente porque la excitación es bastante uniforme en los 25 a 38 mm (1 a 1,5 pulgadas) exteriores de un alimento homogéneo con alto contenido de agua.

https://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_oven

El énfasis está en las capas exteriores. La respuesta a su pregunta es que el mecanismo subyacente es la profundidad de penetración. Las microondas, a medida que ingresan a los alimentos, comienzan a interactuar con las capas externas de las moléculas de agua y transfieren su energía a las moléculas. Ahora, cada vez que se transfieren y los fotones se absorben, los fotones dejan de existir (transforman sus energías en moléculas) y las microondas pierden intensidad. Lo que disminuye es el número de fotones por unidad de área, por lo que las microondas pierden intensidad a medida que penetran más profundamente y las capas internas obtienen menos energía. Por lo tanto, contrariamente a la creencia popular, un trozo de comida más grande necesita más energía para calentarse, incluso con la tecnología de microondas.