¿Por qué se calienta el aceite de canola en el microondas?

Question

Introducción: Leí en la lista de conceptos erróneos comunes de Wikipedia que los microondas no funcionan emitiendo la frecuencia resonante del agua, sino como resultado del calentamiento dieléctrico. Según entiendo, este proceso calienta una sustancia emitiendo un campo eléctrico en constante cambio, lo que hace que las moléculas polares en la sustancia intenten alinearse con el campo, introduciendo así más movimiento molecular, es decir, energía térmica. Esto me hace pensar que el calor introducido a la sustancia debería ser directamente proporcional a la polaridad de la molécula. Luego realicé un breve experimento:

Método: Calenté 25g de aceite de canola y 25g de agua en tazas de plástico en un horno de microondas de 1250 W durante 15 segundos cada uno, midiendo las temperaturas antes y después. No pude encontrar la frecuencia de las ondas emitidas desde el microondas, aunque estoy bastante seguro de que es la estándar de 2.45 GHz. Si la frecuencia es necesaria para saber con certeza, creo que podría regresar y derretir parcialmente una barra de chocolate en ella, encontrar la longitud de onda, y usar la velocidad de la luz para encontrar la frecuencia. (http://www.planet-science.com/categories/over-11s/physics-is-fun!/2012/01/measure-the-speed-of-light-using-chocolate.aspx)

Datos:

Agua

Aceite de canola

masa (g)

25

25

tiempo en el microondas (s)

15

15

temperatura inicial (C)

25

24

temperatura final (C)

51

33

calor depositado (J)

2718

472

Resultados:

Usando el calor específico estimado para el aceite de canola (de https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/canola-oil y https://doi.org/10.1080/10942910701586273) de 2.1 J/gK y 4.182 J/gK para el agua, se puede encontrar que el cambio de energía del agua es:

$q = mc(\Delta T)=(25~\mathrm{g})(4.182~\mathrm{J/gK})(26~\mathrm{K}) = 2718 ~\mathrm{J}$

Y el cambio de energía en el aceite es:

$q = mc(\Delta T)=(25~\mathrm{g})(2.1~\mathrm{J/gK})(9~\mathrm{K}) = 472~\mathrm{J}$

Entonces se le dio aproximadamente seis veces más energía al agua que al aceite.

Discusión: Esto me parece extraño. Primero, si el calentamiento dieléctrico se basa en la polaridad, ¿por qué se está calentando el aceite de canola? En segundo lugar, ¿por qué se está calentando tanto como lo está? Creo que los enlaces de hidrógeno en el agua son mucho más de seis veces más fuertes que las fuerzas de dispersión de London dentro del aceite. ¿Es porque el aceite está diluido con una sustancia polar? ¿Es porque la menor polaridad hace que sea más fácil mover las moléculas, y por lo tanto impartir calor? ¿Qué se esperaría que suceda si se coloca un material completamente apolar en el microondas?

Answer 1

Esto me hace pensar que el calor introducido a la sustancia debería ser directamente proporcional a la polaridad de la molécula.

Además de la buena respuesta de Gert, hay un problema en este paso. El horno microondas es una caja de metal. El propósito de la caja de metal es reflejar cualquier microondas que no sean absorbidas por la comida (ya sea porque "perdieron el objetivo" o porque pasaron a través). Esta reflexión no es 100% eficiente, pero en realidad es bastante cercana, por lo que para efectos de discusión podemos pretender que lo es. Lo que esto significa es que básicamente toda la potencia emitida por el magnetrón va a la comida. Si colocas una muestra con una menor pérdida dieléctrica, absorberá menos energía y se calentará menos "en el primer paso", pero eso simplemente significa que más energía estará disponible para rebotar en las paredes y intentar de nuevo, y otra vez, y otra vez - la densidad del campo aumentará hasta que alcance el punto donde la potencia absorbida sea igual a la potencia de entrada.

Obviamente existen límites prácticos a esto (un horno microondas vacío tendría que entregar todo su calor a él mismo, o automáticamente apagarse o reducir la potencia), pero para muestras razonables de alimentos es lo suficientemente cercano a la verdad como para confundir seriamente el concepto de tu experimento.

Answer 2

Primero, si el calentamiento dieléctrico se basa en la polaridad, ¿por qué el aceite de canola se calienta en absoluto? En segundo lugar, ¿por qué se calienta tanto como lo hace?

En primer lugar, el aceite de canola es un aceite vegetal, más específicamente un triglicérido. Los aceites vegetales contienen polaridad, proveniente de los enlaces éster de glicerina.

En segundo lugar, el aumento de temperatura observado en esos experimentos agradables que llevaste a cabo, depende no solo de la energía de microondas convertida en calor sino también de la cantidad de masa y la capacidad calorífica específica $c_p$.

El calentamiento adiabático de una cantidad de sustancia $m$ se da por:

$$\Delta Q=m c_p \Delta T$$

donde $\Delta Q$ es la cantidad de calor y $\Delta T$ el aumento de temperatura$^\dagger$.

El agua tiene característicamente un alto $c_p$, incluyendo en comparación con el aceite vegetal, por lo que necesita más energía calorífica para alcanzar la misma temperatura (siendo todo lo demás igual).

Para el agua, $c_p=4.18\mathrm{kJ/kgK}$ y para el aceite de girasol, $c_p=2.24\mathrm{kJ/kgK}$

$^\dagger$ $c_p$ se asume constante a pequeños intervalos de temperatura.

Answer 3

En primer lugar, ¡estoy impresionado por el trabajo que hiciste con la lectura de antecedentes, la investigación experimental y la formulación de hipótesis! ¡Buen trabajo!

Un problema aquí es que el concepto de "polaridad" se usa casi siempre de manera algo laxa en la mayoría de contextos en química, a pesar de que tiene una interpretación fisicoquímica rigurosa (la presencia o ausencia de un momento dipolar eléctrico en una molécula). No hay un límite claro entre líquidos clasificados como "polares" o "no polares", es un límite algo arbitrario. La prueba de esto es que hay varias escalas diferentes que intentan cuantificar esta noción de "polaridad química", y no concuerdan perfectamente entre sí (ver, por ejemplo, esta tabla con seis medidas distintas de polaridad).

Además, en realidad ningún material puede ser completamente "no polar". Incluso las moléculas que contienen solo enlaces entre los mismos átomos (por ejemplo, gas nitrógeno o bromo líquido) o donde los momentos dipolares entre átomos se cancelan debido a la simetría (por ejemplo, tetracloruro de carbono) generarán dipolos "instantáneos" debido a la incertidumbre cuántica - en cualquier momento dado, los electrones podrían inclinarse preferentemente hacia un lado de la molécula, incluso si en promedio la molécula no tiene un dipolo neto. Estos dipolos instantáneos interactuarán con la radiación de microondas.

La combinación de los puntos anteriores debería dejar claro que cualquier sustancia que pongas en tu microondas, deberías esperar que absorba cierta cantidad de energía. Ahora, tratar de cuantificar cuánta sería absorbida es un asunto muy complicado, ya sea basado puramente en cálculos teóricos, o basado en parámetros experimentales como "polaridad". Este tipo de problema necesita un tratamiento extenso utilizando cálculos de electrodinámica bastante pesados. Me temo que tu extrapolación de que el solvente A absorbe seis veces más energía que B significa que "el solvente A tiene seis veces más polaridad que el solvente B" es demasiado rudimentaria.

Volviendo un poco a la realidad, veamos tus ejemplos. Si bien los aceites vegetales a menudo se consideran en general "no polares" y, si bien tienen algunas propiedades similares a otros solventes que generalmente se consideran "no polares", es importante tener en cuenta que están compuestos en gran medida por una mezcla de ácidos grasos. Estas moléculas tienen una funcionalidad de ácido carboxílico en el extremo, que a menudo se considera un grupo funcional "polar" (en el sentido de que genera un dipolo local significativo), y su presencia puede explicar el hecho de que los aceites vegetales absorben tanta radiación de microondas como lo hacen. De hecho, incluso vale la pena señalar que hay otras sustancias en los aceites vegetales, incluyendo agua. Aunque el agua típicamente representará menos del 1% del peso de una muestra de aceite vegetal, puede absorber de manera desproporcionada más radiación de microondas.

Por último, me gustaría compartir un ejemplo de cómo los conceptos involucrados en tu pregunta juegan un papel en la química. Existe un extenso trabajo en química sintética que utiliza radiación de microondas como entrada de energía para una reacción (en lugar de, por ejemplo, poner un matraz en la parte superior de una superficie caliente). Por un tiempo hubo cierta discusión sobre si el calentamiento por microondas tenía algún efecto "especial", pero ahora se entiende en gran medida que en la gran mayoría de los casos, todo lo que realmente hace la radiación de microondas es transferir energía térmica al solvente. En ese caso, se vuelve importante estudiar qué tan bien se calientan diferentes solventes en un reactor de microondas. Sin embargo, esto generalmente se mide directamente simplemente ejecutando algunas pruebas y comparando las diferentes curvas de temperatura del reactor versus el tiempo. Como puedes ver, el solvente menos polar en ese gráfico, 1,4-dioxano, se calienta mucho más lentamente que el resto. Sin embargo, sí se calienta, al menos hasta un punto donde pierde tanto calor hacia el entorno como puede absorber de la radiación de microondas.

Answer 4

Consulta interesante. Hagamos una suposición. El recipiente de agua y aceite no contribuyó al calentamiento (es decir, no absorbió microondas).

El requisito fundamental para la absorción de microondas es que la molécula debe tener un momento dipolar permanente. Segundo, la radiación entrante debe tener energía(es) correspondiente a los niveles de energía rotacional de las moléculas.

Después de la absorción de radiación de microondas (resonante), el efecto neto es que las moléculas comienzan a rotar. Cuanto mayor es el momento dipolar de la molécula, más fuerte es su absorción de microondas. Los espectroscopistas de microondas suelen preferir moléculas pequeñas para sus estudios (<300 daltons). Los componentes principales de los aceites vegetales del aceite de canola son triglicéridos de ácidos grasos de cadena larga. Su peso molecular es bastante considerable desde "los estándares de microondas".

Una vez que tienes moléculas grandes, dos cosas suceden:

1. Su frecuencia de rotación se vuelve lenta; imagina un tigre vs. un elefante. Las moléculas más grandes rotan lentamente.

2. Tienen cientos a miles de líneas de rotación, lo que implica que la radiación de microondas de una frecuencia resonante particular tendrá efectos de calentamiento mínimos.

Por lo tanto, tus observaciones no son inesperadas. Aunque los argumentos anteriores son para moléculas en fase gaseosa (la espectroscopia de microondas es, después de todo, una técnica de fase gaseosa), los argumentos pueden aplicarse a líquidos con precaución. Todos los alimentos tienen agua, y la frecuencia de microondas de, digamos, 2.45 GHz corresponde a las líneas de absorción del agua. Ten en cuenta que no puedo localizar el ancho de banda de la frecuencia de 2.45 GHz de un microondas estándar. La pregunta es, ¿qué tan amplia es la radiación entrante de un horno de microondas?

Algunas de las líneas de rotación de los componentes del aceite de canola (principalmente triglicéridos de ácidos oleico y otros ácidos grasos) deben ser resonantes con la fuente de microondas y por lo tanto los efectos de calentamiento menores que observas en tu experimento.

Answer 5

Decir que los hornos de microondas no calientan el agua al operar a una frecuencia de resonancia específica del agua, sino más bien por "calentamiento dieléctrico", es tan significativo como decir que la clorofila no obtiene su color verde absorbiendo luz roja y azul, sino más bien por "iluminación electromagnética".

Por supuesto, el hecho de que el agua se caliente eficientemente a las frecuencias comunes del horno de microondas es el resultado del hecho de que el agua tiene algunas resonancias más o menos cercanas a esas frecuencias. Eso es bastante trivial. Si no tuviera resonancias allí, solo se calentaría un poco. Y cada resonancia tiene cierta amplitud de banda, por lo que no es esencial golpear una resonancia exactamente, especialmente si se excitan múltiples resonancias simultáneamente.

La pregunta real es qué mecanismo causa estas resonancias. Y para el agua, son los modos de rotación (cuánticos) los que la hacen responder a la radiación del horno de microondas. Estos están determinados por el momento dipolar de la molécula de agua y sus momentos de inercia. Sin embargo, en el agua líquida, las moléculas individuales no se mueven independientemente, sino que están sujetas a intensas interacciones (a diferencia del vapor de agua). Estas interacciones causan relajación ("amortiguamiento") que amplía extremadamente las líneas de resonancia. Por lo tanto, si una molécula de agua en fase de vapor tuviera una resonancia rotacional en el rango de ~20 GHz, esto normalmente no permitiría una absorción sustancial en ~2 GHz, pero debido al amplio relajamiento de la amplitud de banda en la fase líquida, esta absorción lejos del centro de una resonancia se vuelve posible. El coeficiente de absorción es bajo, pero significativo. En realidad, esto es deseado, porque para una absorción mayor (más cerca de la resonancia libre), las microondas se absorberían ya en la superficie, y el núcleo de la comida permanecería frío.

Pero el hecho de que el agua tenga resonancias en ese amplio rango, no impide que otras sustancias también puedan tener resonancias en ese rango. Recuerda que el momento de inercia determina la resistencia a la aceleración rotacional. Según la mecánica cuántica, cuanto mayor es el momento de inercia, menores son las frecuencias de resonancia rotacional:

$$E=\frac{h^2}{8 \pi^2 I}J(J+1)$$

donde $I$ es el momento de inercia alrededor del eje respectivo, y $J$ es el número cuántico de momento angular. Si el momento de inercia es grande (como por ejemplo para una molécula de ácido graso largo), las frecuencias de transición son más pequeñas. Esto podría compensar una menor excitabilidad debido a un momento dipolar eléctrico más pequeño.

Además de estos hechos básicos de absorción electromagnética, también se aplica lo que Gert ha escrito sobre la capacidad calorífica. El resultado probablemente sea una combinación de ambos, coeficiente de absorción y capacidad calorífica. Posiblemente también conducción de calor, porque cuanto mayor sea la absorción, más se calentará la materia solo en la superficie, y puede llevar algún tiempo que el calor se distribuya (un problema que cualquiera que haya calentado algo de comida en el horno de microondas ha enfrentado). Así que tendrías que asegurarte de que estás midiendo un estado casi de equilibrio esperando un tiempo, pero no demasiado, porque eso podría enfriar tus muestras.

Conclusión: no puedes predecir la capacidad de absorción de un material con argumentos vagos como "pero los dipolos... no polares... etc.". Si acaso, tendrías que hacer cálculos numéricos cuánticos detallados que tengan en cuenta los efectos de relajación.