Siempre que pongo una comida en el microondas que contiene queso, ¿por qué se calienta el queso antes de que se caliente el resto de la comida?
Es porque el queso tiene una buena combinación de agua y grasa. El agua es importante porque el microondas le transfiere energía haciendo vibrar las moléculas de agua. Por otro lado, los aceites, en general, tienen un calor específico más bajo (en comparación con el agua). Esto significa que, dada la misma cantidad de calor, el cambio de temperatura es mayor para la grasa que para el agua. Se puede ver en esta tabla ya que normalmente los alimentos grasos tienen un mayor calor específico. Además, los aceites tienen puntos de ebullición más altos, por lo que el queso puede alcanzar una temperatura superior a $100\ \mathrm{^\circ C}$ .
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Ambos los aceites vegetales y animales están formados por moléculas no polares . Esto significa que los aceites no pueden ser calentados efectivamente por calefacción dielétrica (absorción de microondas). Si consideramos el caso límite en el que el aceite no absorbe las microondas en absoluto, entonces cualquier combinación de agua y aceite (mezcla) supera al aceite puro en la velocidad de calentamiento bajo microondas. En este caso, la mezcla se calienta porque el agua absorbe las microondas y cede calor al aceite por conducción térmica. Por otro lado, para comparar los rendimientos de la mezcla y del agua pura hay que tener en cuenta el calor específico de ambas sustancias. Si el calor específico de la mezcla es suficientemente menor que el del agua, la primera superará a la segunda en el calentamiento bajo microondas.
¿Se puede calentar el aceite en el microondas? La molécula de los aceites, en general, puede tener un momento dipolar no nulo, pero es tan pequeño que factor de pérdida dieléctrica del aceite es una centésima parte de la del agua. Recordemos que el factor de pérdida dieléctrica expresa aproximadamente el grado en que un campo eléctrico aplicado externamente se convertirá en calor. En general, depende de la frecuencia de la radiación y, en el caso del agua, es máximo a $2.45\, \mathrm{GHz}$ la frecuencia de la mayoría de los hornos de microondas. Mediante un sencillo experimento casero, se puede comprobar fácilmente que la conducción juega un papel importante. Intenta conseguir algunos recipientes que respondan de forma diferente a las microondas, es decir, prueba cómo se calientan los recipientes vacíos. A continuación, separa uno que no se caliente y otro que sí lo haga. Llénalos con la misma cantidad de aceite y déjalos en el microondas durante el mismo tiempo. El aceite en el recipiente que interactúa con el microondas estará mucho más caliente. La explicación es que el aceite se calentó principalmente por conducción. Ten en cuenta que en una mezcla homogénea de aceite y agua (como un queso) esta conducción se optimiza.
Entonces, ¿el agua permite una transferencia de calor más eficiente y la grasa permite que la temperatura sea más alta para una cantidad de calor dada?
@DanielSank Exactamente. Y debe haber un buen equilibrio entre ambos. Seguro que el queso parmesano (poca agua) y un mascarpone (demasiada agua) no se calientan tan fácilmente como un provolone.
¿La grasa también absorbe la energía de las microondas? Si sólo es el agua la que absorbe la energía y la distribuye a las grasas, no puede calentarse más de 100 C. El agua saldría del queso en forma de vapor.
El agua absorbe bien las microondas, principalmente en los límites, ya que el agua en los límites absorbe la mayor parte de las microondas antes de que lleguen a lo más profundo de la masa de agua. Si se calienta sólo el agua, sus límites reciben la mayor parte del calor; entonces, el vapor puede escapar, haciendo que se pierda gran parte de ese calor absorbido. Esto da lugar a un potente efecto de enfriamiento llamado refrigeración por evaporación .
El enfriamiento por evaporación es un efecto importante en los microondas. Por ejemplo, si adquieres una cena para microondas, a menudo te dirá que cortes una hendidura en el envoltorio sin llegar a sacar el contenido. La hendidura permite que el vapor salga un poco para que la presión no haga saltar la bolsa, pero sigue manteniendo más vapor para ayudar a retener el calor. Esto reduce el enfriamiento por evaporación.
La sólida estructura del queso debería tener un efecto similar. Es decir, el agua no es libre de escapar en forma de vapor, por lo que el calor que capta no se pierde tan fácilmente.
La respuesta más votada afirma que el queso y las grasas trabajan juntos utilizando sus diferentes niveles de absorción de microondas y capacidad de calor para calentarse más rápido que cualquiera de ellos por separado.
Por desgracia, esto no puede ser cierto porque es un mecanismo de primer orden. Tanto las grasas como el agua se calentarían a una velocidad proporcional a la absorción de microondas dividida por su capacidad calorífica, es decir $$\frac{\text{d}T}{\text{d}t}{\propto}{\frac{\left[\text{absorption ability}\right]}{\left[\text{heat capacity}\right]}}$$ Si se combinan sin un efecto de segundo orden, entonces su capacidad de absorción y su capacidad calorífica combinadas son una media ponderada de los valores puros de cada una, es decir $${\left.\frac{\text{d}T}{\text{d}t}\right|}_{\text{cheese}}{\propto}{\frac{{x}_{\text{water}}{\left[\text{absorption ability}\right]}_{\text{water}}+{\left(1-{x}_{\text{water}}\right)}{\left[\text{absorption ability}\right]}_{\text{fat}}}{{{x}_{\text{water}}\left[\text{heat capacity}\right]}_{\text{water}}+{\left(1-{x}_{\text{water}}\right)}{\left[\text{heat capacity}\right]}_{\text{fat}}}}$$ Entonces, supongamos que la capacidad de absorción y la capacidad térmica son constantes tanto para la grasa como para el agua (lo cual no es realmente cierto, pero es una simplificación razonable). Entonces, independientemente de los valores reales de las capacidades de absorción y de calor, no hay ninguna combinación que pueda superar a ambas sustancias puras. Si ambas sustancias puras se calientan exactamente igual de rápido, entonces su combinación debería hacer lo mismo. Pero si una se calienta más rápido, entonces cuanto más de ella tenga la combinación, más rápido se calentará la combinación. Es decir, si optimizamos ${x}_{\text{water}}$ necesariamente encontraremos o bien ${x}_{\text{water}}=0$ (grasa pura) o ${x}_{\text{water}}=1$ (agua pura) como solución óptima.
Cuando una combinación funciona así, debe haber un efecto de orden superior. En este caso, sospecho que el efecto de orden superior más importante es que el queso atrapa el vapor, de modo que las moléculas de agua que atrapan la mayor parte del calor no salen volando.
Algunos han señalado que el agua hierve a ${100}^{\circ}\text{C}$ , por lo que las grasas podrían ayudar al poder estar más calientes. Como @JirkaHanika señaló Esto no es realmente relevante porque el agua no es molestada por esto hasta que alcanza su punto de ebullición de ${100}^{\circ}\text{C}$ .
Si estás metiendo tu pizza en el microondas para que esté tan caliente, entonces la estás secando. Este vídeo de YouTube muestra a un tipo que pone una taza de agua en el microondas con su pizza para ayudar a mantener la corteza crujiente:
Estoy de acuerdo en que el queso tiene menos capacidad para enfriarse por sí mismo a través de la pérdida de calor latente (que el agua); esto es definitivamente un componente de la misma.
@RobertFrost La energía se conserva, así que el calentamiento sólo puede hacerse por absorción de microondas o por reacción exotérmica. Las grasas almacenan mucha energía que puede impulsar reacciones exotérmicas, ya que esa es su principal función biológica (son básicamente baterías). Sin embargo, a menos que sufran algún tipo de cambio químico, será una simple cuestión de acumulación de calor de las microondas, que se perderá parcialmente por enfriamiento, por ejemplo, por evaporación. La principal fuente de variación va a ser la eficacia de los mecanismos de refrigeración; cualquier otra cosa viola la conservación de la energía.
@RobertFrost Bueno, sobre todo. Técnicamente, hay un entalpía de mezcla que cambiará con la composición, ya que el queso se deforma debido a las microondas que lo calientan. Pero, por El principio de Le Chatelier , ese cambio en la entalpía de la mezcla será una fuerza resistiva, no una fuerza de calentamiento.
Creo que el punto clave de la primera respuesta es Los aceites tienen puntos de ebullición más altos, por lo que el queso puede alcanzar una temperatura superior a los 100 C.
Si calientas el agua, cuando llegue a los 100C empezará a hervir y toda la energía de las microondas depositada a partir de entonces estará convirtiendo el agua en vapor, que se escapa rápidamente.
En el queso, el agua está emulsionada con la grasa (no sé si se trata de pequeñas gotas de agua envueltas en grasa o viceversa. Supongo que lo primero, ya que tiene más de un 50% de grasa). En cualquier caso, creo que será posible que el agua se sobrecaliente un poco sin convertirse en vapor en este entorno, donde tiene una gran cantidad de superficie de agua en contacto con las grasas que se pueden calentar por encima de 100C sin hervir. En otras palabras, la mezcla con la grasa puede suprimir la formación y el crecimiento de burbujas de vapor.
Además, el agua del queso procede de la leche, lo que significa que contendrá una cantidad muy importante de proteínas lácteas hidrosolubles. Estas moléculas de cadena larga también pueden servir para estabilizar el agua a >100C (especialmente si tienen partes hidrofílicas y partes hidrofóbicas, que tenderán a unirse entre el agua y la grasa donde ambas se tocan). Incluso pueden permitir que la presión en las gotas de agua supere en cierta medida la presión atmosférica ambiental.
El experimento obvio es medir la temperatura del queso recién calentado en el microondas, o incluso durante el calentamiento. Para lo primero, hay que fundirlo en un recipiente bien aislado (yo sugeriría una muestra de queso más bien pequeña en un agujero de un bloque de poliestireno expandido, y una taza grande de agua en el horno al mismo tiempo para que la mayor parte de la energía de las microondas tenga otro lugar al que ir). Para esto último necesitarás un termómetro completamente no metálico que no absorba significativamente las microondas y que lea bien por encima de los 100C, lo que podría ser un interesante trabajo de investigación en sí mismo. Mi opinión es que el queso alcanzará unos pocos grados por encima de los 100C.
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Posible duplicado " physics.stackexchange.com/q/43722
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@AMS Está relacionado pero se pregunta algo diferente. La otra pregunta se refiere a por qué el queso se siente más caliente, lo que probablemente tiene que ver con la superficie de contacto del queso fundido en comparación con el pan. En cambio, esta pregunta presupone que el queso realmente está más caliente.
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Posible duplicado de ¿Por qué el queso de la pizza parece más caliente que la corteza?
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He reabierto esta pregunta porque no es un duplicado. La pregunta ¿Por qué el queso de la pizza parece más caliente que la corteza? no aborda la tasa de calentamiento de una comida que contiene queso. Esta pregunta se refiere específicamente a por qué la tasa de aumento de temperatura del queso es mayor que la del resto de la comida.