Принцип работы СВЧ с точки зрения науки

vladlen62

Вот написал статейку в блоге http://alexusblog.com/post/principle-of-the-microwave-oven.h... , но есть мнение, что я неправ. Кто шарит в СВЧ (а не просто может нагуглить, ибо то, что гуглится, написано дилетантами можете подсказать. в чем именно неправ, и как будет правильно ?

ploder

ну, у меня возник конфликт.
молекула воды - это диполь. ибо она поляризуется, у нее есть дельта минут на кислороде, и дельта плюс - на водородах. иначе откуда бы брались водородные связи?
и от растворения в ней солей она станосится не диполем, а электролитом.

prodeo

Помню, на лекции когда-то говорили, что там токи Фуко.

vladlen62

Момент с диполем и электролитом я поправил.
А вот про токи фуко - они вроде в проводниках возникают с кристаллической решеткой. Нет решетки - нет токов фуко, а вода - точно не в виде кристаллической решетки нагревается в микроволновке.

prodeo

Нет решетки - нет токов фуко
причем тут решетка? токи Фуко возникают при прохождении изменяющегося электромагнитного поля через проводник, т.е. через еду. Металл как раз туда нельзя помещать, потому что вихревые токи порождают сильное вторичное поле. Проходя же через еду. которая обладает большим сопротивлением, и выделяется то тепло, которое нагревает.

Alex-EF

Что-то у тебя много про переориентацию, а про вихревые токи и скин-эффект ничего.
Вариант "тупо дрыгаются", все-таки не прокатит.

iamar

можете подсказать. в чем именно неправ, и как будет правильно ?
Я твою простыню посмотрел, но не читал. Ибо, я чесслово не понимаю, как можно растянуть предложение "микроволновка - генратор ик-излучения на частоте линии поглощения воды, и поэтому нагревает воду" до размеров моего 22дюймого монитора? :confused:
которое преобразует электричество из розетки в электромагнитные волны с частотой колебаний около 2450 МГц, которые и называются сверхвысокочастотными (СВЧ) волнами
А видимый свет - сверх-сверх-высокочастотные(ССВЧ) волны,
а ультрафиолет - мега-сверх-сверх-высокочастноные(МССВЧ) волны,
а рентген - убер-мега-сверх-сверх-высокочастотные(УМССВЧ) волны. :grin:

stat52349

С 1 апреля?
В статье куча ошибок. Прежде чем писать, следовало бы освоить понятия "температура", "энтропия", "тангенс угла диэлектрических потерь", "коэффициент экстинкции", "закон Бугера-Ламберта-Бера", "индуктивно-связанная аргоновая плазма", "токи Фуко", "скин-эффект", а не попрекать читателя незнанием школьной физики.
Недавно я смотрел передачу "Разрушители легенд" по MTV, и там сказали, что все дело в силе трения между молекулами воды. Мол под воздействием высокочастотных волн молекулы воды начинают колебаться, между ними возникает трение, которое приводит к появлению тепла, как когда Вы трете одну руку об другую.
Так оно и есть.
Стоит начать хотя бы с того, что молекула воды не является диполем, т.к. не носит положительного или отрицательного заряда, скопившегося с одной из сторон.
Дипольный момент молекулы воды равен 1.82 Дебай.
Диполем может являться молекула солей (кстати поэтому более соленая пища нагревается в микроволновке быстрее несоленой) или жиров.
Молекулы солей бывают только в газовой фазе. В растворе они диссоциированы на ионы, движутся по сложным траекториям и вообще говоря диполей не образуют, там все гораздо сложнее. Можно сделать поиск по теории растворов электролитов "Дебая-Хюккеля".
температура есть мера энтропии вещества
Вообще-то всегда учили, что температура есть мера средней кинетической энергии движения частиц, то есть обобщенная сила, выравнивание которой приводит к тепловому равновесию.
молекулы металла
Металл состоит из атомов.
и т.д. и т.п.

vladlen62

Ну а если все вместе собрать - то какое будет объяснение принципа работы СВЧ ?
Потому как Общие фразы про трение молекул меня не радуют, а более серьезного объяснения пока никто не дал, а отправил ботать :(

stat52349

Нагревание пищи всех проще было бы понять так: есть электромагнитное излучение, есть среда, которая его поглощает, интенсивность излучения экспоненциально падает при прохождении внутрь среды. Ну или почти экспоненциально. Собственно, об этом везде и написано, что СВЧ проникает в продукты на глубину нескольких сантиметров. При поглощении энергии излучения среда нагревается (повышается ее внутренняя энергия, в большинстве практических случаев это приводит к повышению температуры).
В общем, на этом уровне можно понимать, что в СВЧ печи реализуется обычный радиационный нагрев, такой же, как и при поглощении теплового ИК-излучения, для которого введен коэффициент поглощения среды (коэффициент экстинкции) и для которого точно установлен экспоненциальный закон поглощения (закон Бугера-Ламберта-Бера). На этом можно было бы остановиться. А можно совершенно справедливо поставить вопрос о том, как же именно электромагнитное излучение воздействует на среду.
Из спектроскопии известно, что резонансное поглощение электромагнитного излучения связано с вполне конкретными изменениями в движении частиц среды. Так, поглощение УФ и видимого излучения приводит к изменению электронного состояния молекул, либо центров окраски кристаллов. ИК-излучение приводит к разнообразным видам раскачиваний химических связей и изменению вращательного состояния молекул. Зачастую эти движения невозможно разделить, потому что, в связке ангармоничских осцилляторов возможен переход энергии между модами. При этом ангармоничность может не только перераспределять энергию между осцилляторами в одной частице, но и между соседними частицами, они же сталкиваются и взаимодействуют своими частями. В общем-то уже здесь можно говорить о том, что перераспределение энергии между частицами, теплоперенос, осуществляется за счет молекулярного трения. Разве что, если не нравится термин, то можно представлять связку ангармонических осцилляторов.
Оттуда же, из спектроскопии, мы знаем, что поглощение ИК излучения происходит только тогда, когда это приводит к изменению дипольного момента молекул. Чтобы возбудить полносимметричные колебания, надо прибегать к особым хитрым методам (рамановская спектроскопия).
Теперь об СВЧ. Микроволны приводят только к изменению вращательных состояний молекул. Для прямой раскачки связей у квантов не хватает энергии. Поэтому здесь результат поглощения излучения можно понимать, как переориентацию диполей в пространстве без изменения самой величины дипольного момента. То есть соседние молекулы начинают усиленно "тереться" друг о друга, что везде и написано. Естественно, ангармоничность и в этом случае часть энергии передает в колебания молекул, часть в их поступальное движение, в общем, максимально увеличивает энтропию. Ну а раз часть энергии идет на поступательное движение частиц, то мы наблюдаем увеличение температуры.
Теперь о мифах. Есть миф, что стакан дистиллированной воды нагревается медленнее стакана с раствором соли. Здесь надо правильно задать условия эксперимента. Если их ставить в печь по очереди, то вся энергия печи идет на нагрев воды, а поскольку теплоемкость от растворения соли почти не меняется, то стаканы и греются с одинаковой скоростью. Если поставить в печь два стакана рядом, то конечно, проводящий нагреется быстрее, потому что там больше концентрация диполей. Есть миф, что в печи нагреваются обычные неполярные диэлектрики типа парафина. На самом деле парафин и другие "диэлектрики" нагреваются за счет того, что в них всегда есть примесь воды или дипольных молекул. Особенно тогда, когда нет другого поглотителя энергии. Поставьте рядом стакан воды и кусок парафина останется холодным.
Не менее интересны процессы воздействия микроволн на металлические проводники разных конфигураций. В целом основные моменты и здесь понятны, но я боюсь ошибиться, а поэтому ничего писать не буду.

vladlen62

Поэтому здесь результат поглощения излучения можно понимать, как переориентацию диполей в пространстве без изменения самой величины дипольного момента. То есть соседние молекулы начинают усиленно "тереться" друг о друга, что везде и написано.

Это то понятно. Но на мой взгляд термин "тереться" в данном случае требует дополнительной расшифровки. .Т.к. зачастую в интернете пишется о трении "как когда Вы трете рукой об руку", но очевидно, что эти два варианта трения общего имеют очень мало. Или нет ?

stat52349

Нет. Это самое обычное трение. Когда куски одних молекул зацепляются за куски других.

mong

Нет. Это самое обычное трение. Когда куски одних молекул зацепляются за куски других.
не пори чушь.

mong

Но на мой взгляд термин "тереться" в данном случае требует дополнительной расшифровки.
ты прав. Я так понимаю, что в данном случает под этим подразумевается, то молекулы воды поглащая внешние фотоны возбуждаются (то есть электроны переходят из основного сотояния в одно из более высоких, система всё же квантовая и потом это возбуждение снимается за счёт превращения энергии возбуждения в кинетическую энергию молекул еды. Ка это происходит я не знаю, но предполагаю, что за счёт постепенного переизлучения в более длинноговолновом спектре.
кроме того я всё же думаю, что это не единственный механизм. Токи Фуко тоже имеют место быть в еде, однако так на вскидку это должен быть эффект сильно меньшего масштаба. В любом случае проверить это можно вот как:
1) взять дистиллированную воду, засунуть на определённое время, замерить температуру на выходе (несколько раз, дабы убедиться в воспроизводимости результатов)
2) взять насыпать туда немного соли, поставить на то же время и снова измерить температуру (тоже несколько раз).
Если идея с токами фуко правильная, то во втором случает температура должна быть больше. Тут правда сложность подобрать время облучания так чтобы можно было заметить разницу.

stat52349

Пока чушь здесь порешь ты. Деформация электронных оболочек молекул слабыми силами Лондона и ван-дер-Ваальса, которая учитывается, например, теорией возмущений, вовсе не то же самое, что электронные переходы в молекуле. Так что это самое обычное трение.

mong

Пока чушь здесь порешь ты.

да ну в каком же месте ? :smirk:
Так что это самое обычное трение.

ты плохо себе представляешь что такое обычное трение.
например, теорией возмущений

какой из ? :ooo:

stat52349

Чушь вот:
электроны переходят из основного сотояния в одно из более высоких, система всё же квантовая
В печи СВЧ электроны точно не переходят в одно из более высоких состояний. Для электронных переходов нужно более энергетическое воздействие. Например, молотком или лазером.
ты плохо себе представляешь что такое обычное трение
Объясни, как представляешь его ты, обсудим. Возможно мы говорим об одном и том же разными словами. Пока твое утверждение голословно :smirk:
какой из
Например, Моллера-Плесета.

mong

В печи СВЧ электроны точно не переходят в одно из более высоких состояний. Для электронных переходов нужно более энергетическое воздействие. Например, молотком или лазером.
а как тогда у воды получается линия поглощения на этой частоте ?
 
Пока твое утверждение голословно
  

твоё тоже. Не мы говорим о разных вещах совершенно.

stat52349

а как тогда у воды получается линия поглощения на этой частоте ?
Поглощение соответствует изменению вращательного состояния молекул. Возможно, еще и низкочастотного, соответствующего измению движения более крупных ассоциатов воды. Есть несколько моделей вращения молекул воды в водном растворе при действии СВЧ. Они сложны, но на пальцах могут быть поняты, как трение молекул друг о друга. Естественно, для воды, как и для любой конденсированной фазы, все газовые спектральные линии значительно уширены за счет взаимодействия с соседними молекулами, также, как и в ИК. Опять же, система связанных осцилляторов. Собственно, поэтому печи СВЧ никто в резонанс с газообразными молекулами воды и не настраивает.
твоё тоже. Не мы говорим о разных вещах совершенно.
Ну так напиши как ты себе представляешь трение.

Nitochka

Почитал блог. Вы бы поумерили гонору в посте, батенька :grin:
 
Надеюсь, что этот абзац был понятен, т.к. если нет - то Вы плохо учили физику в школе.

А то сами себе противоречите:
 
2. Все молекулы, несмотря на то, что находятся на своих местах (в кристаллических решетках в твердых веществах, в виде жидкости или в виде газа) обладают энтропией, т.е. не стоят спокойно на месте, а совершают хаотичное движение с определенной частотой и амплитудой.

Как же они стоят на местах, если совершают хаотичные движения? Строение газов вообще ни на йоту непохоже на стояние молекул на местах.
ЗЫ. Япона-мама, это ж
Биография Выпускник физического факультета МГУ
такие вопросы задает.

roman05

Когда куски одних молекул зацепляются за куски других.
Заебись! :grin: :grin: :grin:
Кусочно-молекулярная модель строения мира! :grin: :grin:

Nitochka

Почему бы и не выделять в молекулах куски? Вопрос терминологии.

roman05

Но, извините, когда человек говорит про то, что эти куски друг за друга зацепляются! :o

vladlen62

Почитал блог. Вы бы поумерили гонору в посте, батенька

как раз для этого тут и вынес пост на обсуждение. Что бы разобраться, что я понимаю неправильно и соответственно изменить статью.
Пока пришли в выводу, что возбуждения энергетических уровней нет, но есть трение.
Еще мне что-то подсказывает, что применительно к СВЧ излучению квантами оперировать нельзя. Ибо это не корпускулярно-волновая теория света и частоты намного меньше.
И все же остается непонятна суть утверждения про трение.
Вот например я знаю, что молекулы состоят из атомов, которые в свою очередь состоят из нейтронов, протонов и электронов. Электроны с некоторой вероятностью "находятся" на орбитах вокруг ядра. И вот теперь вопрос, каким образом происходит трение между электронами одного атома и электронами другого атома другой молекулы (или электронными оболочками)?
ИМХО, сила трения - это макросила, а мы сейчас говорим о таких размерах, где понятия макросил неприменимы в принципе. Отсюда вопрос, что на самом деле предствляет из себя пресловутое "трение" молекул ?
На мой взгляд молекулы диполя могут при своем вращении в попытке поляризации по направлению поля отталкиваться электронными оболочками своих атомов друг от друга (хз, может кулоновское взаимодействие двух отрицательных зарядов? тем самым приобретая не только вращательное, но и поступательное движение друг от друга, что, как я понимаю, приводит к повышению энтропии, а значит и повышению температуры. Так ?

Vlad128

Ты забываешь, что обычные объекты тоже в конечном счете трутся молекулами, из которых состоят. Если взлянуть на вопрос под таким углом, то сразу отпадает ощущение, что тебя наебывают, говоря о трении между молекулами воды.

terl

> Пока пришли в выводу, что возбуждения энергетических уровней нет, но есть трение.
Ботай квантование момента импульса жесткого ротатора
> И все же остается непонятна суть утверждения про трение.
Трение тут обсуждается в связи с тем, что СВЧ печь накачивает энергию _только_ во вращательную энергию молекул воды, а нагревается весь образец. Суть утверждения про трение сводится к тому, что благодаря невалентным взаимодействиям будет происходить перераспределение энергии по степеням свободы системы, в результате будет расти средняя кинетическая энергия _всех_ части образца. Трением это названо потому, что как и в обычном трении, в основе этого процесса лежат невалентные взаимодействия (электростатика, ван-дер-ваальс)
зы и да это ппц сзм

terl

Я так понимаю, что в данном случает под этим подразумевается, то молекулы воды поглащая внешние фотоны возбуждаются (то есть электроны переходят из основного сотояния в одно из более высоких, система всё же квантовая)
еще раз: энергия накачивает во вращательные степени свободы молекул воды. СВЧ излучение _не_ вызывает _электронных_ переходов.

mong

так тогда и нужно говорить , что как взаимодействует СВЧ излучение с молекулами воды не ясно , но есть какие-то умозрительные модели. уж не думаешь ли ты, что то что называется вращательные уровни -и впрям означает что молекулы вращаются ? А Электроны тоже вращаются вокруг атомов ?

mong

еще раз: энергия накачивает во вращательные степени свободы молекул воды.
ну там вообще всё сложно, никто ж не умеет решать уравнение шредингера для воды.
все эти вращательные, колебательные и прочее - это все условно.
СВЧ излучение _не_ вызывает _электронных_ переходов.

ну может быть.

mong

Почему бы и не выделять в молекулах куски? Вопрос терминологии.
потому что это как-то странно.

mong

обычные объекты тоже в конечном счете трутся молекулами, из которых состоят.
нэт, ещё раз, это только так гладкие плёнки к стеклу прилипают или присоски, да и то там атмосфера играет решающее значение. Почитайте чтоли учебник физики за 7 класс. Там чётко написано из-за чего.
 
то сразу отпадает ощущение

не отпадает.

kshangin

Совершенно нормальная терминология имхо. Фраза "вязкость жидкости есть проявление внутреннего трения" встречалась в разных учебниках столько раз, что уже начинает казаться очевидной на уровне "папа-мама-дай"...

mong

Фраза "вязкость жидкости есть проявление внутреннего трения" встречалась в разных учебниках столько раз, что уже начинает казаться очевидной на уровне "папа-мама-дай"...
исключительно тем, кто не понимает, что это все классическое приближение, как собственно и сама механика сплошных сред, и что тут вообще-то просят пояснить механизм возниконовения этого самого трения в том случае, если мы среду сплошной не считаем, а считаем её состоящей из молекул.

kshangin

То есть все учебники, где это сказано, и где употребляется такая терминология (внутреннее трение написаны людьми, которые этого не понимают? Лихо ты сейчас наехал...

mong

нет, это ты не понимаешь, насчёт всех учебников не знаю.

kshangin

А я и не претендую на глубокое понимание механики сплошных сред; я не физик. Я говорил лишь о том, что термин "внутреннее трение" (обще)принят в литературе, и поэтому никакого криминала во фразе "молекулы воды трутся друг о друга" я не вижу. Против этого возражения есть?

mong

я тебе про это и говорю, что ты не понимаешь. Поэтому и не видишь противоречия. А оно есть.

kshangin

то есть есть противоречие в словосочетании "внутреннее трение - причина вязкости", я его не вижу, потому что не понимаю, а авторы учебников не заморачиваются, наверное, потому что все равно никто не понимает, кроме топа.
Так? Или я опять неверно интерпретировал твои слова? ;)

mong

обиделся чтоли ? :confused:

kshangin


Цитата из википедии : "Существует миф о том, что микроволновая печь не нагревает пищу, а воздействует на человека излучением, внушая ему, что пища горячая."

kshangin

нет, совершенно искренне не понимаю. Если есть противоречие, то почему так пишут (не на пьянке говорят, а пишут в учебниках)?

mong

то почему так пишут
не знаю, спроси у авторов.

kshangin

представится случай - постараюсь не забыть ;)

Nitochka

Это не умозрительные модели, а давно известное разложение ядерного движения на вращательную, колебательную и поступательную составляющие.

Nitochka

А вообще все адекватным языком описал рауль-дюк, не вижу дальнейшего повода для препирательств на тему приближенности модели разделения ядерного движения на составляющие.

saper

как раз для этого тут и вынес пост на обсуждение. Что бы разобраться, что я понимаю неправильно и соответственно изменить статью.
Ты бы приписал там, что описанное является твоим личным представлением и может быть ошибочным, а то ведь статья написана так, что необразованный лемминг с большой вероятностью будет считать, что он знает всю истину в последней инстанции касательно работы микроволновок.
Однажды какой-то "исследователь" написал, что страусы в песок голову прячут, так сейчас, небось, большая часть народу не сомневаются, что это так.

vladlen62

Я собираюсь переписть статью, а пока она в оригинале, что бы могли все желающие указать на то, что неправильно и как будет правильно. Как только обсуждение сойдется в каком-либо выводе, понятном всем я его озвучу под авторством коллективного разума.
Сейчас я вижу что вышеупомянутое "трение" - это невалентные взаимодействия. А как можно это невалентное взаимодействие описать понятным обывателю языком?

kshangin

Смотря как описывать для обывателя валентные взаимодействия. Если для обывателя химическая связь - шарики на пружинке, то невалентные взаимодействия - без пружинки ;)

Vlad128

Если для обывателя химическая связь - шарики на пружинке, то невалентные взаимодействия - без пружинки
Значит для обывателя невалентное взаимодействие — отсутствие химической связи :confused:
Оставить комментарий
Имя или ник:
Комментарий: