چرا مایکروویو غذا را به طور یکنواخت گرم می کند؟
احتمالاً این چیزی است که همه ما تجربه کرده ایم. به خانه میرسیم، باقیماندهی غذای دیشب را در مایکروویو میچسبانیم، و مینشینیم تا یک غذای خوب بخوریم – فقط متوجه میشویم که غذا یک لقمه داغ میسوزد و لقمه دیگر سرد است. این تجربه من را در بیش از یک بار به این فکر واداشت که: چرا مایکروویو غذا را به طور ناهموار گرم می کند؟
فیزیک گرمایش مایکروویو
مایکروویوها نوعی امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا هستند. مایکروویوهایی که در اجاق مایکروویو برای گرم کردن غذا استفاده میشوند، طول موجی در حدود 12.23 سانتیمتر و فرکانس 2.45 گیگاهرتز (گیگاهرتز) دارند . امواج الکترومغناطیسی میدانهای مغناطیسی و الکتریکی نوسانی تولید میکنند که مولکولهای داخل میدان را تحریک میکنند و در نتیجه گرما تولید میکنند.
چند عامل مختلف وجود دارد که می تواند به تجربه گرمایش مایکروویو رضایت بخش کمک کند . اولین مورد این است که مواد مختلف در یک وعده غذایی اغلب دارای نرخ های متفاوتی از جذب انرژی هستند. یکی از مواردی که کاملاً قابل توجه است، گرم کردن مجدد پای توت است – توت ها گرما را خیلی سریعتر از پوسته پای جذب می کنند و یک پای داغ را با یک بیرون سرد پر می کنند. این به این دلیل است که غذاهایی که حاوی مقادیر بیشتری آب هستند، تمایل دارند انرژی مایکروویو را با راندمان بالاتری جذب کنند، در حالی که غذاهای با محتوای آب کمتر گرما را آهستهتر جذب میکنند و باعث گرم شدن ناهموار میشوند. این به دلیل دوقطبی استکه در سراسر یک مولکول آب وجود دارد، که باعث می شود انتهای منفی و مثبت مولکول در حضور میدان الکترومغناطیسی نوسانی به جلو و عقب تغییر کند. به همین دلیل، شما همچنین متوجه خواهید شد که آب در حالت مایع با سرعت کارآمدتری نسبت به یخ گرم میشود، زیرا مولکولهای مایع آزادانهتر از مولکولهای یخ حرکت میکنند و برخوردهای بیشتری و در نتیجه گرمای بیشتری ایجاد میکنند.
دلیل دیگر اینکه چرا مایکروویوها به طور یکنواخت گرم می شوند، از ماهیت الگوی نوسانی پیچیده ای است که در داخل فر اتفاق می افتد. بیایید نگاهی دقیقتر به فیزیک پشت گرم کردن غذا توسط مایکروویو با استفاده از شبیهسازی COMSOL بیندازیم، جایی که میتوانیم میدان الکترومغناطیسی و انتقال گرما را که در طول فرآیند گرم کردن انجام میشود، درک کنیم.
شبیه سازی گرمایش مایکروویو
ابتدا می توانیم هندسه اجاق مایکروویو خود را تنظیم کنیم. در شبیه سازی ما، اجاق مایکروویو اساسا یک جعبه مسی است که به یک منبع مایکروویو 500 وات و 2.45 گیگاهرتز متصل است. سپس مایکروویوها از طریق یک موجبر واقع در گوشه سمت راست بالای فر به سمت مرکز فر هدایت می شوند. قسمت پایینی حاوی صفحه شیشه ای است که غذا روی آن قرار می گیرد. برای اینکه تحلیل خود را ساده نگه داریم، میتوانیم به چگونگی گرم شدن در یک غذای همگن، مانند سیب زمینی نگاه کنیم. هندسه مایکروویو، موجبر، صفحه شیشه ای و سیب زمینی در زیر نشان داده شده است. به دلیل تقارن آینه ای موجود در مدل، تنها نیمی از هندسه نیاز به مدل سازی دارد.
هندسه اجاق مایکروویو، موجبر، صفحه شیشه ای و سیب زمینی. هندسه به دلیل تقارن آینه کاهش می یابد.
در شبیه سازی، قطعه ای از ته سیب زمینی بریده شده است تا ثبات سیب زمینی را که روی بشقاب قرار می گیرد، ایجاد کند. این برش همچنین به ایجاد مش المان محدود کمک می کند و امکان تجزیه و تحلیل دقیق را در منطقه ای که سیب زمینی با صفحه تماس پیدا می کند انجام می دهد. تلفات حرارتی مقاومتی فلز از دیوارههای مسی مایکروویو و موجبر، اگرچه کم است، اما با استفاده از شرایط مرزی امپدانس نیز در نظر گرفته میشود.
هنگامی که ما تشعشعات مایکروویو را به سیب زمینی وارد می کنیم، سیب زمینی به عنوان یک حفره رزونانس عمل می کند و مقداری از میدان الکترومغناطیسی را درون آن به دام می اندازد. نیرویی که به سیب زمینی منتقل می شود، یا توان تلف شده ، حدود 60 درصد توانی است که از منبع تشعشع آزاد می شود. بقیه انرژی از طریق پورت منعکس می شود. همانطور که در شبیه سازی زیر مشاهده می شود، حفره تشدید یک قله قوی در مرکز سیب زمینی ایجاد می کند که در آن قدرت اتلاف شده در بالاترین حد خود است.
توزیع توان مایکروویو پراکنده در سیب زمینی. به قله قوی در مرکز سیب زمینی توجه کنید.
این میدان مایکروویو باعث گرم شدن داخل سیب زمینی می شود. پس از گذشت پنج ثانیه، میتوانیم به میزان گرمای تولید شده در سیب زمینی نگاه کنیم. در شبیه سازی مشاهده می کنیم که تنها مرکز سیب زمینی بعد از پنج ثانیه شروع به گرم شدن کرده است. همچنین به دلیل رسانایی حرارتی کم سیب زمینی، گرما در مرکز باقی می ماند و پخش نمی شود. این منجر به مرکز گرم و بیرون سرد می شود که گاهی اوقات هنگام گرم کردن غذا در مایکروویو تجربه می کنیم.
توزیع دما در سیب زمینی پس از پنج ثانیه حرارت دادن.
اگر بخواهیم به مدت طولانی تری به گرم کردن سیب زمینی ادامه دهیم، دمای مرکزی سیب زمینی در نهایت به نقطه جوش می رسد و بخار تشکیل می شود و به بیرون پخش می شود و انتقال گرما را تسریع می کند و اتلاف نیرو در مرکز را کاهش می دهد. خشک می شود. این امر با نزدیک شدن دما به 100 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد، اگرچه افزایش فشار محلی در داخل سیب زمینی ممکن است این نقطه جوش را افزایش دهد. با این حال، هنگامی که به اندازه کافی گرم شود، یک یا چند انفجار کوچک رخ می دهد و کانال های بخار را به قسمت های بیرونی سیب زمینی باز می کند. هرکسی که مایکروویو چیزی مانند پوره سیب زمینی یا سوپ غلیظ را امتحان کرده باشد، احتمالاً این انفجارهای ریز را تجربه کرده است و شاهد تأثیرات بعدی آنها در داخل مایکروفر بوده است. در حالی که شبیه سازی مورد بحث در بالا شامل این اثرات غیرخطی نمی شود،
امواج ایستاده در مایکروفر
همان مکانیسمهایی که باعث گرم شدن ناهموار در سیبزمینی میشود در کل فر نیز وجود دارد. شکل میدان الکتریکی تشدید کننده الگویی از نقاط با شدت میدان الکتریکی کم و زیاد در داخل کوره است. این لکه ها در اثر امواج ایستاده ایجاد می شوند . امواج ایستاده به دلیل فعل و انفعالاتی که بین امواج الکترومغناطیسی که به جلو و عقب در اجاق میتابند، زمانی که روی یکدیگر قرار میگیرند، ایجاد میشوند. نتیجه در این مورد یک الگوی شطرنجی از نقاط با شدت میدان الکتریکی بالا و پایین است که در مایکروویو رخ می دهد. با استفاده از همان هندسه از بالا، می توانیم این امواج ایستاده را تجزیه و تحلیل کنیم:
محل قرارگیری امواج ایستاده در مایکروویو.
چرخاندن صفحه شیشه ای واقع در پایین مایکروویو و قرار دادن سیب زمینی در لبه بشقاب، به جای وسط، ممکن است مشکل لکه های با شدت بالا را کاهش دهد که باعث گرم شدن ناهموار می شود. در تصویر بالا، میتوانیم ببینیم که چرخش چگونه غذا را از میان لکهها حرکت میدهد.
منابع اضافی
- مدل مایکروفر را از گالری مدل دانلود کنید
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید