Warum erhitzen sich kleinere Portionen in einem Mikrowellenherd schneller?

Das Magnetron injiziert Mikrowellenstrahlung mit einer bestimmten Rate. Abgesehen von Verlusten prallt diese Strahlung an den Wänden ab, bis sie von der Nahrung absorbiert wird. Wenn Sie zwei Burritos anstelle von einem hineinlegen, gibt es im Durchschnitt weniger Sprünge vor der Absorption. Das bedeutet, dass bei zwei Burritos die durchschnittliche Intensität der Strahlung, die auf einen beliebigen Punkt auftrifft, geringer ist – einige der Photonen, wenn Sie so denken wollen, die den Punkt getroffen hätten, sind nicht da, weil sie es bereits getan haben absorbiert worden.

Dies ist ganz anders als bei einem normalen Ofen – solange genügend Leistung vorhanden ist, um die Lufttemperatur auf der gewünschten Einstellung zu halten, spielt es keine Rolle, wie viele Burritos Sie hineinlegen, solange zwischen ihnen Luftraum ist. Sie werden durch Wärmeleitung aus der von Nachbarn unbeeinflussten Luft und Schwarzkörperstrahlung aus der Umgebung, die nur geringfügig beeinflusst wird, erwärmt.

Lassen$P$sei die Macht (in$\mathrm{Watt}$) liefert die Mikrowelle dann ein einfaches Erwärmungsmodell kann wie folgt angegeben werden.

Die Wärmeenergie$q$benötigt wird, um ein Objekt zu erhitzen, ist:

Wo$\varepsilon$ist ein Effizienzfaktor (für Lebensmittel mit hohem Feuchtigkeits-/Wassergehalt$\varepsilon \approx 0.9 - 1$).$m$ist die Masse des Objekts,$c_p$seine spezifische Wärmekapazität und$\Delta T$sein Temperaturanstieg beim Erhitzen.

Weil:

Es kann dann mit minimalem Rechenaufwand gezeigt werden, dass die Heizzeit$\Delta t$wird gegeben von:

Wenn also alle anderen Dinge gleich sind (gleiche Zusammensetzung, gleich$\Delta T$), Objekte kleinerer Masse$m$benötigen geringere Aufheizzeiten.

Mikrowellen füllen den Mikrowellenschrank nicht gleichmäßig aus. Sie bilden ein „stehendes Wellenmuster“ mit Regionen hoher und niedriger Intensität. Wenn etwas in den Schrank gestellt wird, verzerrt es das Muster der stehenden Welle, sodass sich das Muster von heißen und weniger heißen Portionen ändern kann. Der Grund, warum die meisten Mikrowellenöfen einen rotierenden Drehteller enthalten, besteht darin, zu versuchen, die Belichtung verschiedener Teile des Garguts "unscharf" zu machen, damit die Erwärmung gleichmäßiger ist.

Ich gehe davon aus, dass Sie einen Mikrowellenherd mit einem herkömmlichen Ofen vergleichen.

Kurz gesagt, der Grund dafür ist, dass die Mikrowellenenergie tiefer in die Lebensmittel eindringt als ein herkömmlicher Ofen. Infolgedessen erwärmt sich ein kleiner Teil in einem Mikrowellenofen durchgehend schneller als in einem herkömmlichen Ofen, in dem die absorbierte elektromagnetische Energie hauptsächlich Infrarot ist.

Obwohl andererseits die Temperatur des kleinen Teils für einen Mikrowellenofen gleichmäßiger ist, ist die Temperatur auf der Oberfläche des kleinen Teils für die Infrarotstrahlung größer. Das liegt daran, dass das meiste IR auf den äußeren Schichten des Teils absorbiert wird.

Hoffe das hilft.

Nehmen wir an, Sie haben ein Glas Wasser. Es sollte ziemlich offensichtlich sein, dass die zum Erhitzen dieses Wassers erforderliche Energiemenge positiv mit der Wassermenge korreliert. Andernfalls würden Sie argumentieren, dass es genauso einfach ist, einen Topf Wasser um ein Grad zu erhitzen, wie einen Ozean um ein Grad zu erhitzen.

Wie also erhitzt ein Ofen oder eine Mikrowelle etwas? Es wendet Energie über einen gewissen Zeitraum an. Aber die Energieabgabe der Mikrowelle (bei maximaler Leistung) ist festgelegt , sodass die einzige andere Variable, die den Temperaturanstieg des Objekts im Inneren beeinflussen kann, die Zeit ist.

Hinweis: Siehe Antwort von @Gert für die Mathematik.

Die Energie, die in die Kammer eines Mikrowellenofens gesendet wird, lagert sich fast vollständig im Feuchtigkeitsgehalt in der Kammer ab.

Die Wände der Kammer sind entweder aus Metall oder haben Löcher, die zu klein sind, als dass die Mikrowellenstrahlung austreten könnte. Das Magnetron und andere Komponenten können die Mikrowellenstrahlung absorbieren, aber wenn sich eine nicht unerhebliche Menge an Feuchtigkeit in der Garkammer befindet, nimmt sie fast die gesamte Feuchtigkeit auf.

Die Lebensmittel enthalten die meiste Feuchtigkeit, sodass die meiste Energie, die in die Mikrowellen-Kochkammer gepumpt wird, in die Lebensmittel gelangt. Wenn mehr Nahrung vorhanden ist, wird weniger Energie pro Nahrungseinheit deponiert.

Die Mikrowellen dringen relativ tief in Lebensmittel ein und erhitzen nicht nur die Oberfläche, sondern auch einen Teil des Inneren.

Im Vergleich dazu heizt ein herkömmlicher elektrischer Ofen die Elemente als schwarze Strahler auf. Der größte Teil dieser Energie liegt in Form von Infrarotlicht vor, das sich ziemlich gut auf Lebensmitteln, den Wänden des Ofens und sogar in der Luft im Ofen niederschlägt.

Die Wärmeübertragung auf das Lebensmittel erfolgt durch die physikalische Wechselwirkung zwischen Luft und Lebensmittel, durch die physikalische Wechselwirkung zwischen Lebensmittel und Pfanne und durch Infrarotlicht, das von den Heizelementen und den Wänden der Kammer ausgestrahlt wird.

Diese dringt im Gegensatz zu Mikrowellenstrahlung nicht tief in das Lebensmittel ein. Das Innere des Lebensmittels wird hauptsächlich durch Wärmeleitung von der erhitzten Oberfläche erwärmt, anstatt direkt von Infrarotphotonen.

Das bedeutet, wenn Sie versuchen, Lebensmittel in einem Ofen schnell zu erhitzen, verbrennt die Oberfläche, während das Innere relativ kalt bleibt. Sie können diesen Effekt sehen, wenn Sie Brot unter einem Grill rösten; Die Oberseite (in der Nähe des Grills) kann verkohlt werden, während die Unterseite des Brotstücks kühl bleibt.

Sie heizen den Ofen also auf eine Temperatur auf, bei der die Oberfläche der Lebensmittel nicht verbrennt, bevor der Innenraum gekocht oder erwärmt wird.

Hier passieren zwei Dinge.

Erstens strahlt bei vielen Kochaufgaben ein Großteil der Wärmeenergie aus dem Ofen außerhalb des Ofens statt in das Essen hinein. Energie wird aufgewendet, um den Garraum warm zu halten, und nicht direkt darauf, Energie in das Gargut einzubringen.

Zweitens liegt Ihre Gargeschwindigkeitsbegrenzung in der Wärmeübertragung von der Oberfläche der Speisen ins Innere. Sofern Ihr Ofen nicht überfüllt ist, wird dies nicht durch das Hinzufügen von mehr Essen begrenzt.

Jetzt kann das Hinzufügen von mehr Essen den Kochvorgang im Ofen verlangsamen.

Wenn Sie einen kleinen Truthahn nehmen und ihn kochen, wird er schneller garen als ein großer; Hier bildet das „mehr Essen“ eine isolierende Schicht um das Innere des Truthahns und verlangsamt den Garprozess.

Wenn Sie jedoch einen großen Ofen haben und eine zusätzliche Wurst ziemlich weit entfernt von einer vorhandenen platzieren, kühlen die beiden Würste (a) den Ofen nicht wesentlich ab und (b) beeinträchtigen nicht die Erwärmung des Inneren der anderen Wurst .

Die gleichen zweiten Würste in einem Mikrowellenofen würden MW-Photonen absorbieren, die die andere Wurst absorbiert hätte, wodurch der Erwärmungsprozess verlangsamt würde.

Es gibt eine nette Antwort von Gert, die Ihnen in klassischen Begriffen erklärt, dass Objekte mit geringerer Masse, wenn alle anderen Dinge gleich sind, kürzere Erwärmungszeiten benötigen. Jetzt habe ich das Gefühl, dass ich etwas über den zugrunde liegenden Mechanismus hinzufügen muss.

Jetzt werden Mikrowellen so kalibriert, dass sie den Schwingungen von Wassermolekülen entsprechen, somit können sie effektiv Energie auf die Wassermoleküle übertragen (kinetische Energie) Rotations- und Schwingungsfreiheit.

Dies bringt polare Moleküle in den Lebensmitteln dazu, sich zu drehen und thermische Energie in einem Prozess zu erzeugen, der als dielektrische Erwärmung bekannt ist. Mikrowellenöfen erhitzen Lebensmittel schnell und effizient, da die Erregung in den äußeren 25–38 mm (1–1,5 Zoll) eines homogenen Lebensmittels mit hohem Wassergehalt ziemlich gleichmäßig ist.

https://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_oven

Der Schwerpunkt liegt auf den äußeren Schichten. Die Antwort auf Ihre Frage lautet, dass der zugrunde liegende Mechanismus die Eindringtiefe ist. Mikrowellen beginnen beim Eindringen in die Lebensmittel mit den äußeren Schichten der Wassermoleküle zu interagieren und übertragen ihre Energie auf die Moleküle. Wann immer sie übertragen werden und Photonen absorbiert werden, hören Photonen auf zu existieren (sie wandeln ihre Energien in die Moleküle um), und die Mikrowelle verliert an Intensität. Es ist die Anzahl der Photonen pro Flächeneinheit, die abnimmt, wodurch die Mikrowelle mit zunehmender Tiefe an Intensität verliert und die inneren Schichten weniger Energie erhalten. Entgegen der landläufigen Meinung braucht ein größeres Lebensmittel also auch mit der Mikrowellentechnologie mehr Energie zum Erhitzen.