Warum reicht der obere Bereich der linken Tasse bis zu dem Punkt, an dem das Wasser am heißesten gefüllt ist, und nicht zu den Punkten darunter?

Mikrowellenherde erhitzen Speisen und Getränke durch oszillierende Wassermoleküle in den Speisen/Getränken, wodurch die Temperatur dieser Moleküle und damit die Temperatur der Speisen/Getränke erhöht wird.

Die Gesetze der Thermodynamik sagen uns, dass je höher die Temperatur eines Materials ist, desto mehr thermische Energie hat es. Und bei einer bestimmten Temperatur, je mehr von einer bestimmten Substanz, desto mehr Gesamtwärmeenergie wird diese Substanz besitzen, wenn sie erhitzt wird.

Tatsächlich ist die Wärmekapazität (Fähigkeit, Wärme aufzunehmen) gegeben durch

Wo$Q$ist die Wärmemenge, die dem Massenwasser zugeführt werden muss$m$um seine Temperatur um zu erhöhen$\Delta T$, Und$C$wird als spezifische Wärmekapazität bezeichnet , die für verschiedene Substanzen eine Konstante ist. Beachten Sie, dass je größer die Masse, desto größer die vorhandene Wärmeenergie ist.

Die Wärmekapazität für Wasser ist relativ hoch im Vergleich zu Feststoffen. Auf molekularer Ebene bringen die Mikrowellen die Atome eines Festkörpers dazu, aufeinander zu und voneinander weg zu schwingen, als wären sie durch eine Feder verbunden. Wenn die Temperatur erhöht wird, nimmt die Frequenz/Energie dieser Schwingungen zu. In einem Festkörper ist dies im Grunde die einzige verfügbare Bewegung. In einer Flüssigkeit wie Wasser (und Gasen) verursacht absorbierte Wärmeenergie die Atome in der$H_2 O$Molekül zu vibrieren und zu rotieren sowie zu übersetzen. Das bedeutet, dass es für die Wassermoleküle mehr mögliche Mikrozustände gibt und daher ihre Wärmekapazitäten größer sind als in Festkörpern. Wenn wir also ein Objekt mit mehr Wassergehalt in die Mikrowelle stellen, wird das Objekt im Vergleich zu einem Objekt mit geringerem Wassergehalt heißer (alle anderen Parameter sind gleich, wie Größe der Objekte, Mikrowellenleistung, Anfangstemperatur der Objekte, Garzeit usw.). ).

Möglichkeit eins:

Wenn wir uns die linke Tasse ansehen, sehen wir, dass sie konisch geformt ist (betrachten Sie das Volumen pro mm Höhe) und daher oben ein größeres Wasservolumen als unten vorhanden ist. Dies bedeutet, dass eine größere Wassermasse durch die Mikrowellen oben in der Tasse Energie absorbiert als unten, was zu einem thermischen Energiegradienten mit einer höheren Temperatur oben und einer niedrigeren Temperatur unten führt. Und da das Volumen der Tasse gleichmäßig abnimmt, wenn wir uns zum Boden der Tasse bewegen, wird die Temperatur des Wassers ebenfalls abnehmen.

Dasselbe würden wir für den Becher rechts nicht erwarten. Tatsächlich würden wir erwarten, dass die Temperatur im Durchschnitt oben in der Tasse gleich ist, wenn wir uns nach unten bewegen - wir gehen auch davon aus, dass die Mikrowelle ihre Strahlung gleichmäßig durch das Mikrowellenfach überträgt.

Dies scheint mit Ihren experimentell ermittelten Ergebnissen übereinzustimmen.

Möglichkeit zwei:

Mikrowellen haben auch ein bestimmtes Muster von stehenden Wellen im Fach. Dies könnte erklären, warum der konische Becher oben heißeres Wasser hatte als unten. Aber warum sollte die Keramiktasse von oben bis unten eine konstante Wassertemperatur haben? Eine mögliche Erklärung ist, dass Mikrowellen nicht direkt mit dem Wasser interagieren, sondern mit dem Becher selbst. Die Mikrowellen erhitzen also direkt den oberen Teil der Tassen, und selbst wenn sich die stehenden Wellen in den "oberen Bereichen" der Tassen bilden, kann es zu einer Leitung über die Länge der Tasse kommen. Wenn sich die Tasse auf diese Weise erwärmt, dann wäre die Temperatur oben und unten gleich, da sie diese Wärme an das Wasser abgibt.