¿Por qué algunas ondas electromagnéticas pueden calentar cosas mientras que otras no?

En un sólido, el "calor" consiste en vibraciones aleatorias de los átomos en ese sólido alrededor de sus posiciones de equilibrio. Si la radiación que golpea ese sólido tiene un componente de longitud de onda que está cerca de uno de esos posibles modos de vibración, entonces la radiación se acoplará fuertemente con ese modo vibratorio y el sólido aceptará energía de la radiación incidente y su temperatura aumentará.

Si la radiación incidente tiene una frecuencia demasiado alta (rayos X o gamma), el acoplamiento es deficiente y la radiación simplemente pasa sin interactuar mucho. Si la frecuencia es demasiado baja (frecuencias de radio más bajas que el radar), la radiación rebota y tampoco interactúa mucho. Esto deja ciertas bandas de frecuencia específicas (como longitudes de onda de luz infrarroja y visible) donde la interacción es fuerte.

Tenga en cuenta que esta imagen está algo simplificada porque hay bandas de frecuencia en el rango de gigahercios donde la energía de RF rebota en materiales conductores de electricidad como el metal (esto nos da el radar) pero interactúa fuertemente con dieléctricos y materiales que contienen moléculas de agua (esto nos da hornos de microondas ).

Tenga en cuenta también, como lo señala Frederic a continuación, que las moléculas poseen modos resonantes que sus átomos constituyentes no tienen y estos también pueden ser excitados por la energía de RF. Muchos de estos modos moleculares se encuentran dentro del rango infrarrojo, dando lugar al campo de la espectroscopia IR.

Como mencionó niels nielsen, las ondas EM se absorben cuando su longitud de onda coincide con los modos de vibración de los átomos en el sólido. Esto hace que los átomos vibren aún más fuerte y, por lo tanto, aumente la temperatura. A partir de la vibración de los átomos en los sólidos, se puede hacer la extensión hacia la vibración de polímeros y moléculas orgánicas, que tienen modos vibracionales y rotacionales adicionales. Por ejemplo, en las moléculas orgánicas, toda la molécula puede vibrar (además de los átomos individuales que contiene). Esta vibración ocurre en una escala de longitud diferente y, por lo tanto, la radiación EM con frecuencias diferentes (más bajas) puede absorberse con respecto a los materiales sólidos regulares. Además, también existen modos de rotación en estas moléculas orgánicas que también pueden absorber la radiación EM y dar lugar al calentamiento.

Como los humanos estamos hechos de estas moléculas orgánicas, son estos modos de vibración molecular los que absorben la radiación IR y nos dan la sensación de temperatura.

TODAS las ondas electromagnéticas transfieren energía. Cuando se encuentran con algún cuerpo, son absorbidos, dispersos o parcialmente ambos.

La parte que se absorbe siempre calienta el cuerpo absorbente. Las ondas EM absorbidas pueden o no hacer otras cosas también (como cambios químicos o corrientes eléctricas).

La razón por la que no siente mucho calor de una bombilla LED es porque la bombilla LED no irradia mucho. Un horno es de 1-5kW, el Sol es de unos 1 kW/metro cuadrado al mediodía. Una bombilla LED típica es de 3-15W.

Puede probar algunos LED potentes (hay, por ejemplo, faros LED dirigidos de 50 W que pueden quemar bastante su piel).

Es muy importante comprender que la energía térmica se almacena en los grados de libertad de las moléculas.

La energía térmica, a nivel microscópico, se almacena en los grados de libertad de los átomos y moléculas. Estos grados de libertad son de traslación, rotación y vibración. Todos ellos almacenan diferentes cantidades de energía, dependiendo de la geometría del átomo. Los grados de libertad de traslación son el átomo o la molécula que se mueve en el espacio, y siempre hay 3 para las 3 dimensiones del espacio. Los modos de rotación y vibración provienen de la geometría del átomo/molécula.

¿Cómo se representa el calor a nivel cuántico?

Ahora hay principalmente tres tipos:

1. traslacional

Los grados de libertad de traslación surgen de la capacidad de una molécula de gas para moverse libremente en el espacio.

2. rotacional

Los grados de libertad de rotación de una molécula representan el número de formas únicas en que la molécula puede rotar en el espacio alrededor de su centro de masa, lo que implica un cambio en la orientación de la molécula.

3. vibracional

El número de grados de libertad vibratorios (o modos vibratorios) de una molécula se determina examinando el número de formas únicas en que los átomos dentro de la molécula pueden moverse entre sí, como en los estiramientos o curvas de enlace.

https://en.wikibooks.org/wiki/Statistical_Thermodynamics_and_Rate_Theories/Degrees_of_freedom

Ahora se pregunta, ¿por qué ciertos fotones de longitud de onda calientan las moléculas de ciertos materiales solo mientras que otros no pueden?

Cada molécula tiene sus propias características mecánicas cuánticas, que incluyen las características de los modos de traslación, vibración y rotación, y a qué longitud de onda pueden corresponder los fotones. Esto significa que la energía de ciertos fotones de longitud de onda debe coincidir con la brecha de energía entre esos modos.

Si la energía del fotón coincide (oa veces excede) la brecha entre dos modos, entonces el fotón podría ser absorbido con alta probabilidad.

Ahora no es tan simple. Ciertos fotones de longitud de onda tienen la capacidad de transferir sus energías con mayor probabilidad a moléculas que tienen un cierto tipo de grados de libertad disponibles (modo).

Así, ciertas moléculas que tienen grados de libertad disponibles en los diferentes modos de traslación, vibración o rotación, pueden ser excitadas por fotones de diferentes longitudes de onda.

Solo una nota, las otras respuestas no abordan esto, pero calentar un material es contrario a la creencia popular, no solo principalmente por absorción. Gran parte de la energía de los fotones se transfiere por dispersión inelástica. En este caso, el fotón no deja de existir, y solo transfiere parte de su energía a la molécula.

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

Las cosas se calientan cuando absorben radiación. No se calientan si son transparentes a esa radiación o si reflejan esa radiación. Cuando son transparentes, la radiación los atraviesa sin perder mucha energía.

Diferentes longitudes de onda tienen diferentes perfiles de absorción en diferentes materiales (debido a la estructura atómica de los materiales) como lo mencionan @nielsnielsen y @Frederic. El vidrio se ve bastante transparente en el espectro visible, pero absorbe la radiación infrarroja y ultravioleta, por lo que es opaco para estas longitudes de onda. Solía ​​operar un espectrómetro infrarrojo. En lugar de usar vidrio para montar las muestras, tuvimos que usar discos hechos de sal, ya que la sal permanece transparente en el rango infrarrojo. El agua también parece bastante transparente para los humanos, pero absorbe fuertemente las microondas (la base para los hornos de microondas).

Lo que no he visto explícitamente en las otras respuestas es que la radiación se absorbe a nivel atómico y molecular cuando la energía del fotón ($E = h \nu = h c/\lambda_\mathrm{vacuum}$) es igual a la energía requerida para la transición cuántica entre diferentes modos. Estos modos pueden incluir transiciones de electrones en átomos , transiciones de electrones deslocalizados en moléculas , transiciones vibratorias de núcleos atómicos, transiciones rotacionales de núcleos atómicos y desplazamientos de átomos en cristales.