¿Por qué la región superior de la copa izquierda hasta donde se llena el agua es el punto más caliente y no los puntos de abajo?

Los hornos de microondas calientan alimentos y bebidas haciendo oscilar las moléculas de agua en el alimento/bebida, aumentando así la temperatura de estas moléculas y, por lo tanto, la temperatura del alimento/bebida.

Las leyes de la termodinámica nos dicen que cuanto mayor es la temperatura de un material, más energía térmica tiene. Y a una temperatura dada, cuanto más de una sustancia en particular, más energía térmica total poseerá esta sustancia cuando se caliente.

De hecho, la capacidad calorífica (capacidad de absorber calor) está dada por

dónde$Q$es la cantidad de calor que debe agregarse al agua de masa$m$para elevar su temperatura en$\Delta T$, y$C$se llama capacidad calorífica específica que es una constante para diferentes sustancias. Observe cómo cuanto mayor sea la masa, mayor será la energía térmica que estará presente.

La capacidad calorífica del agua es relativamente alta en comparación con los sólidos. A nivel molecular, las microondas hacen que los átomos de un sólido vibren acercándose y alejándose unos de otros como si estuvieran conectados por un resorte. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la frecuencia/energía de estas vibraciones. En un sólido, este es básicamente el único movimiento disponible. En un líquido como el agua (y los gases), la energía térmica absorbida hace que los átomos en el$H_2 O$molécula para vibrar y rotar, así como trasladarse. Esto significa que hay más microestados posibles para las moléculas de agua y, debido a esto, sus capacidades caloríficas son mayores que en los sólidos. Entonces, si colocamos en el microondas un objeto con más contenido de agua, más caliente se pondrá el objeto en comparación con uno con menor contenido de agua (todos los demás parámetros son iguales, como el tamaño de los objetos, la potencia del microondas, las temperaturas iniciales de los objetos, el tiempo de cocción, etc. ).

Posibilidad uno:

Si nos fijamos en el vaso de la izquierda, vemos que tiene forma cónica (considere el volumen por cada milímetro de altura, por ejemplo), por lo que habrá un mayor volumen de agua en la parte superior que en la parte inferior. Esto significa que habrá una mayor masa de agua absorbiendo energía por las microondas en la parte superior de la taza que en la parte inferior, lo que dará como resultado un gradiente de energía térmica con una temperatura más alta en la parte superior y una temperatura más baja en la parte inferior. Y dado que el volumen de la taza disminuye uniformemente a medida que nos movemos hacia el fondo de la taza, también lo hará la temperatura del agua.

No esperaríamos lo mismo de la copa de la derecha. De hecho, esperaríamos que, en promedio, la temperatura fuera la misma en la parte superior de la taza a medida que avanzamos hacia el fondo; también asumimos que el microondas transmite su radiación de manera uniforme en todo el compartimiento del microondas.

Esto parece consistente con sus resultados determinados experimentalmente.

Posibilidad dos:

Los microondas también tienen un patrón particular de ondas estacionarias en el compartimiento. Esto podría explicar por qué la taza cónica tenía agua más caliente en la parte superior que en la parte inferior. Pero, ¿por qué la taza de cerámica tendría una temperatura de agua constante de arriba a abajo? Una posible explicación es que las microondas no interactúan directamente con el agua, sino con la taza misma. Por lo tanto, las microondas calientan la parte superior de las tazas directamente, e incluso si las ondas estacionarias se forman en las "regiones superiores" de las tazas, puede haber conducción a lo largo de la taza. Si la taza se calienta de esta manera, al transferir este calor al agua, la temperatura en la parte superior será la misma que la inferior.