¿Qué sucede al calentar en el microondas un vaso de agua?

Question

La mayoría de nosotros aquí ya conoceríamos la idea simplificada detrás de cocinar en microondas: la radiación de microondas golpea las moléculas de agua presentes en la comida, las cuales se excitan y las hace vibrar rápidamente in situ, lo que resulta en el calentamiento de la comida. Muy sencillo.

Pero, ¿qué pasa si decides calentar en el microondas un vaso de agua?

No encuentro literatura confiable que aborde este tema. Muchos sitios altamente no confiables dicen tonterías desde "El agua se vuelve venenosa" hasta "El agua se vuelve radioactiva", así que he descartado esos inmediatamente. Sin embargo, algunas fuentes sugieren que "el agua explotará".

En un principio pensé que el agua quizás llegara a hervir un poco más rápido que si simplemente lo calentara con fuego debajo.

Así que después de leer las últimas fuentes no me fue difícil creer que podría ocurrir una explosión. Al principio simplemente extrapolé mi teoría de 'ebullición rápida' a la teoría de 'ebullición muy rápida' y estaba conforme con eso. Tenía sentido para mí ya que suponía que, al igual que en el método convencional de hervir agua, se formarían burbujas de agua en el fondo del vaso a una mucho más rápida velocidad, se acumularían, subirían, lo que resultaría en una explosión. Pero después de reflexionar, noté un problema con esta 'extrapolación'.

¿Por qué se forman las burbujas incluso en primer lugar cuando convencionalmente calientas agua? Simplemente encender un fuego debajo de un vaso con agua no garantiza que todo el contenido del vaso se caliente de manera uniforme al mismo tiempo. Obviamente, la capa de moléculas de agua en contacto directo con el fondo del vaso se calentará bastante rápido. Suben, el agua más fría desciende, etc., ya sabes cómo es: convección. Es la considerable diferencia de temperatura entre la región inferior y el resto del agua, lo que permite que el agua en el fondo se vaporice en algún momento formando burbujas mientras el agua inmediatamente encima está aún en estado líquido.

El problema que veo que me impide extender esta teoría al calentar agua en el microondas es que el método de calentamiento es diferente en el caso del microondas: Radiación

Ahora, dado que la radiación calienta un volumen dado más rápidamente que la convección; para todos los propósitos prácticos, pienso que sería seguro aceptar que el agua en el vaso se calentará uniformemente (el vaso es de tamaño bastante normal... sus dimensiones no son de un orden de magnitud mayor que la velocidad de la luz/radiación electromagnética, así que estará bien considerar que el aparato se calienta de forma 'uniforme'. Tenía que decir esto antes de que alguien inevitablemente señale en los comentarios que es imposible que toda el agua se caliente a temperaturas constantes así al mismo tiempo de manera exacta).

Entonces, si el vaso se calienta uniformemente, no veo razón para que se formen burbujas... en otras palabras, no veo que ocurra una explosión.

Entonces, ¿qué sucede realmente si calientas un vaso de agua en el microondas?

¿Se va a vaporizar rápida y constantemente? ¿Explotará? ¿O sucederá algo más? Y por qué sucede?

Answer 1

Calentar agua en una placa caliente es seguro, porque el punto más caliente está en el fondo de la olla. Aparecen muchas burbujas relativamente pequeñas allí sin que el agua se sobrecaliente demasiado, porque hay mucha nucleación en la frontera de fase desigual acero-agua.

En un microondas, el lugar más caliente está EN el agua. El vidrio no se calienta por microondas (al menos no mucho), y irradia algo de calor al entorno.

Problema: En agua limpia, hay pocos puntos de nucleación buenos para formar burbujas, solo algunas partículas de polvo quizás. Entonces el agua se sobrecalienta bastante fuertemente, y una primera burbuja que aparece puede crecer mucho antes de que haya enfriado sus alrededores a 100 °C. Esa enorme burbuja puede arrojar la mayor parte del agua fuera del vaso. Hierve violentamente.

Por cierto, un microondas no calienta su contenido uniformemente. Forma una onda electromagnética estacionaria (que no es radiación, estrictamente hablando) en el horno, como una cuerda balanceada rápidamente entre dos personas, o una cuerda de guitarra. El patrón de onda tiene nudos a una distancia de $0.5c/f\approx6\ \mathrm{cm}$ (con $f=2.45\ \mathrm{GHz}$ y la velocidad de la luz $c$ que por supuesto es un poco menos en tu pollo), donde hay muy poco calentamiento. Por eso el horno de microondas tiene el plato giratorio, para generar algo de calentamiento uniforme. Para agua pura, eso no importa, porque la convección se establece de todos modos y distribuye el calor.

Answer 2

El modo de calentar un vaso de agua en un microondas y en una estufa es en realidad muy similar. Si bien es cierto que la radiación del microondas penetra un poco en el cuerpo del agua, la profundidad de penetración es bastante pequeña.

El problema principal es que en una estufa, se obtiene un calentamiento uniforme desde la parte inferior, con una temperatura generalmente mucho más alta que el punto de ebullición del agua. La "ebullición" ocurre cuando el agua en la parte inferior del recipiente está lo suficientemente caliente como para convertirse en vapor independientemente de la presión circundante, en realidad es un poco más caliente que el punto de ebullición. Al mismo tiempo, el resto del agua está significativamente más fría, por eso se ven las burbujas mucho antes de lo que tendemos a considerar la temperatura de ebullición del agua.

En un microondas, el agua se calienta de una manera un poco diferente. En el modelo más simple, se calienta desde los lados, similar a calentar un vaso de agua en un horno normal. Esto ya hace una gran diferencia, ya que estás calentando el agua desde los lados, la mayor parte del agua no se calienta por convección. El principal efecto es que el calentamiento parece mucho más uniforme, y el calor se distribuye principalmente a través de la difusión, cuando el agua está cerca del punto de ebullición, una gran cantidad de agua está cerca del punto de ebullición y la convección no puede llevar ese calor a ningún lugar.

Y este es el punto complicado. El agua no es capaz de hervir, porque para vaporizarse, tiene que superar la tensión superficial, y el calor cerca del punto de ebullición aún no es lo suficientemente potente para eso. La ebullición es más fácil en contacto con, por ejemplo, los lados del vaso, pero allí no está el agua más caliente, a diferencia de una estufa. Y ahora, perturbas el agua: la golpeas, pones un grano de café en ella, una cuchara... formas una gran área de superficie en agua que ya está en el punto de ebullición, y quitas lo único que evita que hierva. A lo largo de las superficies recién formadas, el agua comienza a vaporizarse, lo cual aumenta la presión, lo que perturba aún más las superficies, causando una mayor vaporización... y obtienes un chorro de agua hirviendo.

Ahora, la forma real en que las cosas se calientan en un horno de microondas es aún más compleja que esto, pero no es realmente necesario para explicar por qué el sobrecalentamiento es un problema mucho mayor en un horno que en una estufa, así que lo dejaré ahí :)

De alguna manera, esto es similar al efecto de la coca y los mentos (aunque en lugar de vaporización, el dióxido de carbono en ese experimento sale de una solución de agua). Tienes un líquido con dióxido de carbono disuelto en un equilibrio, de hecho, el líquido ya está sobresaturado cuando abres la botella debido a la disminución de la presión. Suelta los mentos adentro, y creas una gran fuente de nucleación para el dióxido de carbono disuelto: la superficie del caramelo es bastante rugosa y se vuelve más áspera a medida que se disuelve, por lo que la tensión superficial es mucho menor de lo que sería normalmente, lo que hace que el dióxido de carbono salga rápidamente de la solución, causando espuma y expansión -> boom.

Entonces, ¿qué sucedería si realmente pudieras calentar el agua de manera uniforme? El agua comenzaría a hervir a lo largo de los puntos de contacto con el vaso, por lo que verías burbujas de agua hervida llevando el calor rápidamente. El "punto óptimo" para el "agua explosiva" es tener bolsas de agua hirviendo alejadas de cualquier fuente de nucleación, y luego introducir una fuente de nucleación. Esto es bastante difícil de lograr incluso en un horno de microondas, pero es posible, y el mismo peligro se aplica cada vez que calientas un recipiente de una manera que no deja el calor en los lugares en contacto directo con el recipiente :)

Answer 3

Un vaso de agua calentado en el microondas 'saltará' si el recipiente está limpio y el calentamiento en el microondas es uniforme. El agua tiene cierta fuerza tensil, por lo que una burbuja no se formará a la temperatura exacta de ebullición sin algún núcleo (baja tensión superficial debido a un vacío de gas en una piedra hirviente, por ejemplo), por lo que el líquido puede volverse sobrecalentado. Al llegar para coger el líquido caliente, puede ser el caso que mover el líquido en el recipiente cause una erupción a medida que el líquido sobrecalentado hierve.

También es cierto que incluso sin un núcleo para formar una burbuja, la superficie de aire/agua caliente evaporará rápidamente vapor de agua, pero esto tiene el efecto de enfriar la superficie del agua y si el agua no está en movimiento, se formará una capa de agua fría en la superficie incluso cuando la mayor parte del agua se sobrecalienta.

El sobrecalentamiento es peligroso, por supuesto; si tu mano está sosteniendo la taza cuando salta, es probable que te quemes. Una cuchara sumergida en agua sobrecalentada normalmente hará que hierva. Eventualmente, un rayo cósmico hará que hierva.

Answer 4

El agua es una molécula polar como ya sabes. Esto significa que tiene extremos positivos y negativos. El microondas es una onda electromagnética. Estas ondas tienen la frecuencia adecuada para hacer que las moléculas vibren y causen tensión. Como sabes, la temperatura se define como la energía cinética de una partícula. Esto significa que el agua se calentaría. Pero la vibración direccional del agua depende de dónde se encuentre en el microondas. Por lo tanto, es casi aleatoria. Los movimientos aleatorios pueden chocar con impurezas y características irregulares del recipiente o del agua para nuclea las burbujas. Esto significa que la burbuja flotaría fuera de la solución. Esto resulta en la ebullición. Si el agua es pura y el recipiente es liso, entonces el agua no tendrá un punto de nucleación y no formará burbujas. Lo que sucederá es que algunas de las moléculas de agua simplemente se evaporarán, pero el resto de las moléculas no tendrán forma de nucleación hasta que entre algo, como una cuchara o azúcar.

Answer 5

Siempre mantén alejado el centro del plato, mejor coloca tu taza o vaso a un lado para que se mueva más mientras se calienta.

Los microondas tienen "ondas fijas" y si hay una región de agua siempre bajo una onda específica, el agua explotará al igual que una gota de agua en ACEITE. Quiere evaporarse, sin aire alrededor para hacerlo, por lo tanto, ¡BOOM necesita ir a algún lugar, y lo hace!

Por otro lado, haz que recorra el plato, evitando el centro muerto, las ondas simplemente calentarán el agua poco a poco, eventualmente hirviendo y creando movimiento y burbujas, por lo tanto, espacio para que el vapor se vaya.

Siempre evito el centro del plato giratorio cuando pongo comida en el microondas también, incluso dejando un espacio en la comida si el plato es más grande que la mitad del diámetro del plato.

Leí en algún lugar "haz un agujero en el medio de la comida se calentará de manera más uniforme". Bueno, SOLAMENTE si ese agujero está alineado con el centro del plato giratorio, entonces sí.