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水和冰一起进微波炉会怎样?你不能最后一个知道

返朴 2023-05-25

The following article is from 把科学带回家 Author 万物


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封面来源:wikimedia
撰文 | 七君

水和冰一起放到微波炉里加热3分钟,水已经冒烟的情况下,冰块会化掉吗?

事实上并不会。


不信,看一下这个视频——


(图片来源:水印)


这个博主把一杯水和一杯冰放到微波炉里同时加热3分钟,结果水已经开始汽化了,冰还是冰。


这个视频突破了许多人的常识,在网上爆火,得到了千万次播放。


这是咋回事呢?不会是倒放吧?


其实,这水是真的水,冰也是真的冰,短视频也是真的火。那么微波炉咋不能融化冰呢?微波炉不是有化冰档吗?


今天我们就来解答这个隐秘的常识。


(图片来源:wikimedia)


事情要从微波炉的原理说起。


微波炉和烤箱不一样,并不直接传导热量加热食物,微波加热靠的是的食物里的极性分子,因为极性分子能“吃”微波。


具体来说,微波是一种电磁波,变化的电磁波在微波炉里能“画”出磁感线,这个我们在中学学过。


而极性分子一端带正电,一端带负电,它们就像磁铁,总是想着和磁感线对齐。不过,在微波炉里它们总是来不及。


介电加热(图片来源:水印)


因为微波炉里的磁场可以每秒变化数百万次。想象一下,教官如果让军训的同学们每秒向前再向后转百万次会怎样?学员之间估计会撞个头破血流吧。极性分子也是这样,不过它们不流血,而是越撞越热。这个利用变化的电磁场引发粒子互撞生热的物理现象叫做介电加热(dielectric heating)
那么,这么爱折腾的极性分子从哪里找呢?
其实它们无处不在,水分子就是一种极性分子,脂肪、蛋白质、糖分子也能在微波炉里瞎转。
变化电场中的水分子(图片来源:radio frequency co)
所以问题来了,冰不是由水分子构成的吗?微波为什么对冰没有作用呢?
其实,这个问题早在90年代就有人注意到了。1995年,弗吉尼亚大学物理系对此的解释是,液态水中的水分子可以自由移动,因此可以在变化的电磁场中疯转。
但是冰比较克制,因为冰是是水分子相互“锁定”形成的晶体,它里面的水分子没有办法愉快旋转,因此在同等条件下无法产生自由水分子那样的热量。
水(左)和冰(右)的水分子差别(图片来源:wikimedia)
要让冰被微波化掉,只能靠冰表面一些游离的水分子,它们在吸收了微波后可以产热。而当这些分子变得活跃后,它们就更自由,可以产生更多的热量,然后把热量传递给内部的冰晶,让冰逐渐融化。这就是为什么微波炉做不到快速解冻。

博主把染色冰水滴入冰块后,放到微波炉里加热,很明显水加热带动冰融化,而不是反过来(图片来源:Greg Blonder/youtube)


除了水和冰的差别,微波炉很难融解冰块其实还牵涉到微波炉的其他一些缺陷。
首先,因为微波也是电磁波,它们会相互干涉,使得一些地方增强,一些地方减弱,也就是会出现相长干涉和相消干涉,这就会导致食物受热不均。
美国农业部食品安全检验局(FSIS)强调,微波炉加热并不均匀,食物会有“冷点”(cold spots);这些部位因为没有充分受热,细菌可能没有被杀死,可能会造成食物中毒。

微波炉加热的食物有冷点(紫色)(图片来源:campdenbri.co.uk/blogs/solid-state-microwaves.php)


当然厂家也知道微波炉有这个问题,为了避免微波相消的冷点(波节)无法加热食物,微波炉一般都自带转盘。

在微波炉里加热25秒后,不旋转(左)和旋转(中)的差别,紫色区温度低(图片来源:genuine ideas)


微波炉的第二大缺陷就是微波的穿透力很差,食物内部其实不会被直接加热。
美国农业部食品安全检验局(FSIS)解释道,微波并没有很强的穿透力,只能深入食物表层以下2-4厘米,食物内部的加热是靠热传导实现的。
综合上述,这就是为什么文章开头的冰融不了。当然,这也是为什么冰冻食物用微波炉加热后,一些部分还是冰的,但是一些原本就有水的地方却烫得要死。所以在用微波炉做菜,特别是用大块的生肉做菜的时候,一定要切小块,并且反复翻动。
(图片来源:wikimedia)
你可能会问,既然微波炉并不擅长融冰,那么那种带“解冻”档的微波炉是什么原理呢?
其实,微波炉解冻档的工作原理就是开开停停,靠牺牲时间,让食物化出一部分液态水后,再加热。
等下,微波炉为什么不用低档的微波火力加热呢?
这又是一个隐藏很深的冷知识了:传统的微波炉只有两档——开和关,所谓的不同火力大小是通过占空比(Duty Ratio)实现的,简单来说就是开一会儿关一会儿。
传统微波炉的火力调控原理靠的是占空比:开开关关(图片来源:panasonic.hk)
比如50%的火力指的是开一半时间,关一半时间,而不是以一半的功率开着。当然现在出现了一些变频微波炉,可以不靠占空比,而直接拉低功率,就像烤箱那样。
最后要提醒大家的是,除了冰,一些食物也不适合进微波炉。
生葡萄在微波炉里产生电弧(图片来源:wired)
火遍全网的生葡萄不能进微波炉现象就不用说了,它会在微波炉里产生产电弧(arcing),也就是使气体击穿成为等离子体。葡萄加微波,闪电下火锅。
胡萝卜在微波炉里产生电弧(图片来源:Stefonivich/youtube)
但是另外两道冷门食材也很生猛。
生胡萝卜在微波炉里也会火光加闪电,不过背后的原理还没有被理解透。美国农业部食品安全检验局(FSIS)介绍,这可能是胡萝卜种植土壤中的金属所致。此外,热狗在微波炉里也会发生电弧,这可能是因为热狗里加的某些盐和添加剂。
把胡萝卜、热狗和葡萄一起放到微波炉里就更不可取了哈。懂行的知道你在闪电开会,不知道的还以为你拿微波炉炼丹呢。
水已经很生“汽”了,但冰却不为所“动”。

参考资料

https://docs.qq.com/doc/DVE9mdFlSWE9aZEJy

本文经授权转载自微信公众号“把科学带回家”。


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