Was macht Käse so effektiv bei der Absorption von Mikrowellen?

Wenn ich eine Mahlzeit mit Käse in die Mikrowelle stelle, warum wird der Käse heiß, bevor der Rest der Mahlzeit durchgewärmt ist?

Mögliches Duplikat " physics.stackexchange.com/q/43722
@AMS Es ist verwandt, fragt aber etwas anderes. Die andere Frage lautet, warum sich Käse heißer anfühlt, was wahrscheinlich mit der Kontaktfläche zwischen geschmolzenem Käse im Vergleich zu Brot zu tun hat. Andererseits setzt diese Frage voraus, dass der Käse tatsächlich heißer ist.
Ich habe diese Frage erneut geöffnet, da es sich nicht um ein Duplikat handelt. Die Frage Warum erscheint Pizzakäse heißer als die Kruste? befasst sich nicht mit der Erwärmungsrate einer Mahlzeit, die Käse enthält. Diese Frage fragt speziell, warum die Temperaturanstiegsrate des Käses höher ist als die des Rests der Mahlzeit.

Antworten (3)

Das liegt daran, dass Käse eine schöne Kombination aus Wasser und Fett hat. Das Wasser ist wichtig, da die Mikrowelle Energie darauf überträgt, indem es die Wassermoleküle zum Schwingen bringt. Andererseits haben Öle im Allgemeinen eine geringere spezifische Wärme (im Vergleich zu Wasser). Das heißt, bei gleicher Wärmemenge ist die Temperaturänderung bei Fett höher als bei Wasser. Sie können in dieser Tabelle sehen, dass normalerweise fetthaltige Lebensmittel eine größere spezifische Wärme haben. Außerdem haben Öle einen höheren Siedepunkt, sodass der Käse eine höhere Temperatur erreichen kann 100   ∘ C .

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Sowohl pflanzliche als auch tierische Öle bestehen aus unpolaren Molekülen . Das bedeutet, dass Öle durch dielektrische Erwärmung (Mikrowellenabsorption) nicht effektiv erhitzt werden können . Wenn wir den Grenzfall betrachten, in dem Öl überhaupt keine Mikrowellen absorbiert, dann übertrifft jede Kombination aus Wasser und Öl (Mischung) reines Öl bei der Erwärmungsrate unter Mikrowellen. Das Gemisch erwärmt sich in diesem Fall, weil Wasser Mikrowellen absorbiert und durch Wärmeleitung Wärme an das Öl abgibt. Um andererseits die Leistungen der Mischung und des reinen Wassers zu vergleichen, müssen wir die spezifische Wärme beider Substanzen berücksichtigen. Wenn die spezifische Wärme der Mischung ausreichend kleiner ist als die spezifische Wärme des Wassers, dann übertrifft die erstere die letztere beim Erhitzen unter Mikrowellen.

Kann man Öl in der Mikrowelle erhitzen? Das Molekül von Ölen kann im Allgemeinen ein Dipolmoment ungleich Null haben, aber es ist so klein, dass der dielektrische Verlustfaktor von Öl etwa ein Hundertstel des dielektrischen Verlustfaktors von Wasser beträgt. Erinnern Sie sich, dass der dielektrische Verlustfaktor ungefähr den Grad ausdrückt, in dem ein extern angelegtes elektrisches Feld in Wärme umgewandelt wird. Sie ist im Allgemeinen abhängig von der Frequenz der Strahlung und liegt bei Wasser maximal bei 2.45 G H z , die Frequenz der meisten Mikrowellenherde. Durch ein einfaches Heimexperiment kann man leicht überprüfen, dass die Leitung eine große Rolle spielt. Versuchen Sie, einige Behälter zu bekommen, die unterschiedlich auf Mikrowellen reagieren, dh testen Sie, wie sich die leeren Behälter erwärmen. Trennen Sie dann einen, der sich nicht aufheizt, und einen, der sich aufheizt. Füllen Sie sie mit der gleichen Menge Öl und lassen Sie sie für die gleiche Zeit in der Mikrowelle. Das Öl in dem mikrowelleninteragierenden Behälter wird viel wärmer sein. Die Erklärung ist, dass das Öl hauptsächlich durch Leitung erhitzt wurde. Beachten Sie, dass in einer homogenen Mischung aus Öl und Wasser (wie bei einem Käse) diese Leitung optimiert ist.

Das Wasser ermöglicht also eine effizientere Wärmeübertragung und das Fett ermöglicht eine höhere Temperatur für eine bestimmte Wärmemenge?
@DanielSank Genau. Und es muss eine gute Balance zwischen den beiden geben. Ich wette, Parmesankäse (wenig Wasser) und ein Mascarpone (zu viel Wasser) erhitzen sich nicht so leicht wie ein Provolone.
Nimmt das Fett auch Mikrowellenenergie auf? Wenn nur das Wasser die Energie aufnimmt und an die Fette abgibt, kann es nicht heißer als 100 ∘C werden. Das Wasser würde den Käse als Dampf verlassen.
@Shane Nein, Fette absorbieren Mikrowellen ziemlich gut - weniger als Wasser, aber sie werden dank ihrer viel geringeren Wärmekapazität auf eine höhere Temperatur erhitzt. Denken Sie daran, wenn Sie fetthaltige Speisen in der Mikrowelle erhitzen – es ist wirklich einfach, die Fette zu „verbrennen“, während die Mahlzeit noch kalt ist. Haben Sie schon einmal versucht, Schokolade oder Speck in die Mikrowelle zu stellen?
@Diracology Entschuldigung, ich habe Ihre Antwort nicht akzeptiert, weil ich aufgrund experimenteller Beobachtungen glaube, dass Käse auch etwas enthält, das ihn effizienter als andere Materialien bei der Absorption von Mikrowellen macht. Ich könnte warten, um zu sehen, ob jemand dies belegen kann.
Diese Antwort ist insofern falsch, als sie darauf hinzudeuten scheint, dass Fette im Käse es ermöglichen, sich mehr zu erhitzen als Wasser allein. Wenn wir die (wahrscheinlich wahre) Prämisse akzeptieren, dass das Wasser bevorzugt Mikrowellen absorbiert und einen Teil dieser Wärme an das Fett abgibt, dann erhöht das Fett effektiv die Wärmekapazität des Systems und bewirkt, dass es sich langsamer erwärmt. Je mehr Fett, desto homogener sollte die Erwärmung in der Mikrowelle sein. Ein weiterer Fehler besteht darin, zu implizieren, dass eine höhere spezifische Wärme die Erwärmung erleichtert; Das Gegenteil ist der Fall: Höhere spezifische Wärme erwärmen sich langsamer.
@ChemicalEngineer er sagt, dass "niedrigere" spezifische Wärme es stärker aufheizt. Aber der erste Teil von dem, was Sie sagen, ist richtig.
@RobertFrost Ah, richtig, er spricht von spezifischer Wärme, die in Mol oder Einheit angegeben ist. Dennoch steigt die Gesamtwärmekapazität, wenn mehr Inhalt vorhanden ist; Es erfordert immer noch mehr Energie zum Aufheizen, und wenn es keine proportionale Erhöhung der Wärmeerzeugung erhält (dh wenn das Fett Mikrowellen nicht so gut absorbiert wie Wasser mit der gleichen Wärmekapazität), ist es immer noch schädlich für das Erhitzen. Die Gesamtwärmekapazität steigt; Die Tatsache, dass die spezifische Wärmekapazität, die eine intensive Eigenschaft ist (im Gegensatz zu einer extensiven Eigenschaft), abnimmt, ist ein Ablenkungsmanöver.
@ChemicalEngineer Wenn Sie einer Portion Wasser Fett hinzufügen, erhöhen Sie natürlich die Wärmekapazität. Wenn Sie jedoch Fett hinzufügen und die gleiche Menge Wasser entfernen, verringern Sie die Wärmekapazität des Systems. Oder wir können einfach über spezifische Wärme sprechen, wie Robert vorgeschlagen hat.
@Diracology Wenn Sie Fett hinzufügen und die gleiche Menge Wasser entfernen, verringern Sie auch die Mikrowellenabsorption. Machen Sie weiter so, Sie gelangen schließlich zu reinem Fett; geringere Wärmekapazität, aber auch geringere Mikrowellenabsorption.
@ChemicalEngineer Du hast absolut Recht. Deshalb habe ich in der Antwort gesagt, dass es eine "schöne Kombination" aus Wasser und Fett geben muss. Ich meinte eine "optimale Kombination".
@Diracology Ohne einen Effekt zweiter Ordnung ist es nur eine lineare Kombination. Das Optimum ist dann zwangsläufig entweder reines Wasser oder reines Fett.
@ChemicalEngineer Zum Beispiel erwärmt sich reines Fett langsamer, weil Mikrowellen Wassermoleküle anregen. Reines Wasser hingegen ist nicht so effektiv bei der Nutzung von Wärme zur Erhöhung seiner Temperatur (hohe spezifische Wärme). Und das Wichtigste (meiner Meinung nach) ist, dass Fett Temperaturen von mehr als 100 ° C erreichen kann, deshalb ist der Käse immer so heiß.
@Diracology Stellen Sie sich eine hypothetische Kombination aus Wasser und Fett vor, bei der die Wärmekapazität und die Mikrowellenabsorption proportional zu Ihrer Wasser- und Fettkonzentration sind. Die Erwärmung erfolgt dann mit der Mikrowellenabsorptionsrate dividiert durch die Wärmekapazität. Ohne Effekte zweiter Ordnung ist dies für eine gegebene Gemischzusammensetzung im Grunde eine Konstante; und wenn Sie die Zusammensetzungsfraktion variieren, ist das Optimum notwendigerweise eine reine Substanz (entweder reines Wasser oder Fett).
@Diracology Ich denke, dass Sie richtig erkennen, dass die verringerte spezifische Wärme hilft, aber die verringerte Absorption falsch ignorieren. Der von Ihnen beschriebene Mechanismus hat keine Eigenschaft zweiter Ordnung. Es kann nicht funktionieren. Außer, Ihr Hinweis zur maximalen Temperatur - das gilt. Sie haben Recht, dass Käse am maximalen Ende der Skala ein paar Grad heißer als Wasser werden sollte (obwohl er an diesem Punkt auch austrocknet und sich in schwarzen Saibling verwandelt).
Sowohl @ChemicalEngineer als auch Diracology - die Fähigkeit des Fetts, den Siedepunkt von Wasser zu überschreiten, ist irrelevant. Solange Wasser im Fett ist, kann Fett auch nicht so heiß werden. Relevant ist die begrenzte Leistung der Mikrowelle. Wie viel Käse sättigt diesen Faktor bis zur perfekten Absorption? Und wie viel Wasser?
Könnten Sie ein analytisches Modell für das hinzufügen, was Ihrer Meinung nach vor sich geht? Ich meine, Sie liegen nicht falsch mit den physikalischen Fakten; nur, die Schlussfolgerungen folgen nicht aus der Prämisse. Ich habe das Gefühl, dass dies deutlich werden würde, wenn Sie die Gleichungen aufschreiben würden.
Es ist bizarr, dass dies die am meisten positiv bewertete Antwort ist, da ein einfacher Test, reines Pflanzenöl in eine Mikrowelle zu geben, eindeutig zeigt, dass es sich fast so gut erwärmt wie Wasser.

Die feste Struktur von Käse verhindert Dampfverlust

Wasser absorbiert Mikrowellen gut, hauptsächlich an den Grenzen, da das Wasser an den Grenzen die meisten Mikrowellen absorbiert, bevor sie tiefer in den Wasserkörper gelangen. Wenn Sie nur Wasser erhitzen, erhalten seine Grenzen die meiste Wärme; dann kann Dampf entweichen, wodurch ein Großteil der absorbierten Wärme verloren geht. Dies führt zu einem starken Kühleffekt, der als Verdunstungskühlung bezeichnet wird .

Verdunstungskühlung ist ein wichtiger Effekt in Mikrowellen. Wenn Sie zum Beispiel ein mikrowellengeeignetes Abendessen bekommen, werden Sie oft aufgefordert, einen Schlitz in die Umverpackung zu schneiden, ohne den Inhalt tatsächlich zu entfernen. Der Schlitz lässt Dampf ein wenig entweichen, sodass der Beutel nicht durch Druck platzt, aber er hält dennoch mehr Dampf, um die Wärme zu speichern. Dadurch wird die Verdunstungskühlung reduziert.

Die feste Struktur von Käse sollte einen ähnlichen Effekt haben. Das heißt, das Wasser kann nicht einfach als Dampf entweichen, sodass die Wärme, die es einfängt, nicht so leicht verloren geht.

Es geht nicht wirklich darum, dass Fette und Wasser zusammenarbeiten

Die derzeit positiv bewertete Antwort besagt, dass Käse und Fette zusammenarbeiten, indem sie ihre unterschiedliche Mikrowellenabsorption und Wärmekapazität nutzen, um sich schneller aufzuwärmen als beide allein.

Leider kann dies nicht wahr sein, da es sich um einen Mechanismus erster Ordnung handelt. Fette und Wasser würden sich beide mit einer gewissen Rate erwärmen, die proportional zur Mikrowellenabsorption dividiert durch ihre Wärmekapazität ist, dh

d T d t ∝ [ Aufnahmefähigkeit ] [ Wärmekapazität ]
Wenn Sie sie ohne einen Effekt zweiter Ordnung kombiniert haben, dann sind ihre kombinierte Absorptionsfähigkeit und Wärmekapazität beide ein gewichteter Durchschnitt der reinen Werte für jeden, dh
d T d t | Käse ∝ x Wasser [ Aufnahmefähigkeit ] Wasser + ( 1 − x Wasser ) [ Aufnahmefähigkeit ] fett x Wasser [ Wärmekapazität ] Wasser + ( 1 − x Wasser ) [ Wärmekapazität ] fett
Nehmen wir dann an, dass Aufnahmefähigkeit und Wärmekapazität sowohl für Fett als auch für Wasser konstant sind (was nicht wirklich stimmt, aber eine vernünftige Vereinfachung ist). Dann gibt es unabhängig von den tatsächlichen Werten für die Aufnahmefähigkeiten und Wärmekapazitäten keine Kombination, die beide Reinstoffe übertreffen kann. Wenn sich beide Reinstoffe genau so schnell aufheizen, dann sollte ihre Kombination dasselbe bewirken. Aber wenn man schneller heizt, dann heizt die Kombination umso schneller, je mehr davon die Kombination hat. Das heißt, wenn wir optimieren x Wasser , wir werden zwangsläufig beides finden x Wasser = 0 (reines Fett) bzw x Wasser = 1 (reines Wasser) als optimale Lösung.

Wenn eine Kombination so funktioniert, muss ein Effekt höherer Ordnung am Werk sein. In diesem Fall würde ich vermuten, dass der wichtigste Effekt höherer Ordnung darin besteht, dass Käse den Dampf einfängt, sodass die Wassermoleküle, die zufällig die meiste Wärme einfangen, nicht einfach wegfliegen.

Nicht wirklich über Siedepunkte

Einige haben darauf hingewiesen, dass Wasser kocht 100 ∘ C , also könnten die Fette helfen, indem sie heißer sein können. Wie @JirkaHanika betonte, ist dies nicht wirklich relevant, da Wasser davon nicht gestört wird, bis es tatsächlich seinen Siedepunkt erreicht 100 ∘ C .

Wenn Sie Ihre Pizza in der Mikrowelle so heiß machen, trocknen Sie sie aus. Dieses YouTube-Video zeigt einen Mann, der zu seiner Pizza eine Tasse Wasser in die Mikrowelle stellt, damit die Kruste knusprig bleibt:

Ich stimme zu, dass Käse weniger Kapazität hat, sich durch latenten Wärmeverlust abzukühlen (als Wasser); das gehört definitiv dazu.
@RobertFrost Energie bleibt erhalten, daher kann das Erhitzen nur durch Mikrowellenabsorption oder exotherme Reaktion erfolgen. Fette speichern viel Energie, die exotherme Reaktionen auslösen kann, da dies ihre primäre biologische Funktion ist (sie sind im Grunde Batterien). Wenn sie jedoch nicht irgendwie chemisch verändert werden, wird es einfach eine Frage der Wärme von den Mikrowellen sein, die sich ansammelt – und dann teilweise durch Kühlung verloren geht, z. B. Verdunstungskühlung. Die Hauptursache für Variationen wird sein, wie effektiv die Kühlmechanismen sind; alles andere verstößt gegen den Energieerhaltungssatz.
@RobertFrost Nun, meistens. Technisch gesehen gibt es eine Mischenthalpie , die sich mit der Zusammensetzung ändert, wenn sich der Käse aufgrund der Erwärmung durch Mikrowellen verformt. Aber nach dem Prinzip von Le Chatelier ist diese Änderung der Mischungsenthalpie eine Widerstandskraft, keine Heizkraft.
@RobertFrost Einige sagen, dass der Käse mit Fett schmilzt, andere sagen mit Dampf / Von dem, was ich an Kraftgerichten probiert habe / Ich halte mit denen, die Dampf bevorzugen. / Aber wenn ich zweimal aufwärmen müsste, / Ich glaube, ich verstehe genug von Käse / Um zu sagen, dass dies zum Verbrennen meiner Mundfette / Sind auch großartig / Und würde genügen.
Angenommen, Fett absorbiert überhaupt keine Mikrowellen. Dann würde jede Kombination aus Wasser und Fett Fett übertreffen! Die Formel, die Sie für die Aufheizrate der Kombination geschrieben haben, ist nicht richtig, weil sie die Tatsache vernachlässigt, dass Wasser und Fett Wärme durch Wärmeleitung austauschen. Das ist der springende Punkt der Kombination.
@Diracology Wie oben erläutert, ist einer der reinen Zustände optimal; In Ihrem Beispiel wäre es reines Wasser, dh x Wasser = 1 . Welchen Effekt hat das "Vernachlässigen" der Wärmeleitung Ihrer Meinung nach genau? Wie würden Sie die Gleichungen modellieren?
Der Punkt ist, dass Sie in Betracht ziehen, dass Fett nur durch Mikrowellen erhitzt wird. Wenn das stimmte, waren Ihre Gleichung und Ihre Behauptung richtig. Aber es gibt eine Leitung von Wasser zu Fett, und das ist die relevante Tatsache.
@Diracology Nein, sowohl Fett als auch Wasser werden von den Mikrowellen erhitzt, und diese eingefangene Energie muss verwendet werden, um ihre Temperatur aufgrund ihrer kombinierten Wärmekapazität zu erhöhen (entweder eine Summe, wenn Sie umfangreiche Eigenschaften verwenden, oder den gewichteten Durchschnitt, wenn Sie verwenden intensive Eigenschaften). Erinnern Sie sich nicht an ideale Lösungen von Intro bis Classical Thermo? Mein obiges Modell geht von Idealität aus, und wie in meinem Kommentar RobertFrost erwähnt, werden Abweichungen von der Idealität aufgrund des Prinzips von Le Chatelier tendenziell widerständig sein. Welche nicht standardmäßigen Annahmen machen Sie?
Öle und Fette werden von unpolaren Molekülen gebildet. Tatsache! Mikrowellen erhitzen Lebensmittel, indem sie polare Moleküle in Schwingung versetzen. Fette absorbieren also viel weniger Mikrowellen als Wasser.
@Diracology Richtig. Sowohl das Fett als auch das Wasser sammeln Wärme mit unterschiedlichen Raten ( [ Absorptionsfähigkeit ] fett vs. [ Absorptionsfähigkeit ] Wasser ), und sie teilen sich diese kombinierte Wärmeaufnahme, um ihre kombinierte Temperatur angesichts ihrer kombinierten Wärmekapazität wie in der obigen Gleichung zu erhöhen. Was ist der Teil, den Sie anders machen ?

Ich denke, der entscheidende Punkt in der ersten Antwort ist, dass Öle einen höheren Siedepunkt haben, sodass der Käse eine Temperatur von über 100 ∘C erreichen kann.

Wenn Sie Wasser erhitzen, beginnt es zu kochen, wenn es 100 ° C erreicht, und die gesamte danach abgeschiedene Mikrowellenenergie wandelt Wasser in Dampf um, der sofort entweicht.

In Käse wird Wasser mit Fett emulgiert. (Ich weiß nicht, ob es sich um kleine Wassertröpfchen handelt, die in Fett eingeschlossen sind, oder umgekehrt. Ich würde ersteres vermuten, da es zu mehr als 50 % aus Fett besteht). Auf jeden Fall denke ich, dass es möglich sein wird, dass das Wasser in dieser Umgebung etwas überhitzt wird, ohne sich in Dampf umzuwandeln, wo es eine sehr große Wasseroberfläche in Kontakt mit Fetten hat, die über 100 ° C erhitzt werden können, ohne zu kochen. Mit anderen Worten, die Mischung mit Fett kann die Bildung und das Wachstum von Dampfblasen unterdrücken.

Auch das Wasser im Käse stammt aus Milch, was bedeutet, dass er eine sehr bedeutende Menge an wasserlöslichen Milchproteinen enthält. Diese langkettigen Moleküle können auch dazu dienen, das Wasser bei > 100 °C zu stabilisieren (insbesondere wenn sie hydrophile Teile und hydrophobe Teile haben, die dazu neigen, sich zwischen Wasser und Fett zu binden, wo sich die beiden berühren). Sie können sogar zulassen, dass der Druck in den Wassertröpfchen den atmosphärischen Umgebungsdruck etwas übersteigt.

Das naheliegende Experiment besteht darin, die Temperatur von frisch in der Mikrowelle erhitztem Käse oder sogar während des Erhitzens zu messen. Für ersteres schmelzen Sie es in einem gut isolierenden Behälter (ich würde eine kleine Käseprobe in einem Loch in einem expandierten Polystyrolblock und gleichzeitig einen großen Becher Wasser im Ofen vorschlagen, damit die meiste Mikrowellenenergie irgendwo bleibt sonst gehen). Für letzteres benötigen Sie ein vollständig nichtmetallisches Thermometer, das Mikrowellen nicht wesentlich absorbiert und weit über 100 ° C anzeigt, was an sich schon eine interessante Forschungsarbeit sein könnte. Ich vermute, dass der Käse einige Grad über 100 ° C erreichen wird.

Was macht Käse so effektiv bei der Absorption von Mikrowellen?
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