Welcher Mechanismus auf mikroskopischer Ebene bestimmt, ob sich ein System erwärmt oder nicht?

Wenn es in einen normalen oder einen Mikrowellenherd gestellt wird, erwärmt sich ein Becher mit Wasser, außer während des Kochens (dh einer Phasenänderung, die latente Wärme beinhaltet). Nehmen wir nun an, ein System absorbiert Energie derart, dass die Elektronen auf höhere Energieniveaus angeregt werden. Wird dadurch zwangsläufig das System aufgeheizt? Mit anderen Worten, wird die Erwärmung dadurch verursacht, dass die Elektronen oder Atome in einem Objekt auf höhere Energieniveaus angeregt werden?

Antworten (3)

Das Mikrowellen-Photonenenergieniveau verleiht Wassermolekülen aufgrund der Wechselwirkung des elektromagnetischen Felds mit dem Wasserdipolmolekül kinetische Rotationsenergie. Die kinetische Rotationsenergie wird anschließend randomisiert, um die durchschnittliche kinetische Translationsenergie der Moleküle zu erhöhen, wodurch die Temperatur der Wassermoleküle erhöht wird. Die Mikrowellenenergieniveaus liegen deutlich unter denen, die benötigt werden, um Elektronen auf höhere Niveaus anzuregen.

Ein normaler Ofen kocht mit elektromagnetischer Infrarotenergie. Das Energieniveau der Photonen entspricht der Molekülschwingung. Diese Energieniveaus sind ebenfalls zu niedrig für eine Elektronenanregung.

Hoffe das hilft

Ein Toaster verwendet sicherlich Strahlung, aber ich würde argumentieren, dass ein Kuchenbackofen auch Konduktion und Konvektion verwendet.
@psitae Was ist dein Punkt? Ob Leitung, Konvektion, Strahlung (Mikrowelle oder Infrarot), nichts davon kocht durch anregende Elektronen.
Warum in diesem Zusammenhang Photonen erwähnen?

Bei einem Mikrowellenherd werden die Wassermoleküle in den Speisen zum Schwingen gebracht. Wassermoleküle sind winzige elektrische Dipole und werden in stärkere Schwingungen versetzt. Die Moleküle bleiben im elektronischen Grundzustand.

Was passiert in gewöhnlichen Öfen/Brennern? Damit eine Erwärmung stattfinden kann, ist eine notwendige Bedingung, dass das System Energie aufnehmen muss. Dazu muss es eine Kopplung zwischen der Umgebung, die Energie liefert, und dem System, das sie aufnimmt, geben. Für das Mikrowellenbeispiel ist es die elektromagnetische Mikrowelle, die an das Dipolmoment von Wassermolekülen koppelt.
Das Energieniveau der Mikrowellenphotonen verursacht eine Rotation, nicht eine Vibration von Wasserdipolmolekülen. Die Vibrationsenergie ist höher als die Photonenenergie des Mikrowellenofens. Eine gute Erklärung der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie finden Sie auf der Hyperphysics-Website
@BobD "Photon" erklärt hier nichts. Das elektrische Feld polarisiert die Dipolorientierung, die sich entspannt, wenn das Feld wieder abgeschaltet wird. Das Feld ändert die Richtung 2.45 ⋅ 10 9 Mal pro Sekunde, was sich als Wärme bemerkbar macht.
@Pieter Bei allem Respekt, Photonenenergie erklärt, warum Mikrowellen- und Infrarotstrahlung keine Elektronen anregen, was zum Kochen führt, was ich dachte, das OP wunderte sich. Es erklärt auch, warum das elektrische Feld im Kilohertz-Bereich keine Molekülrotation verursacht.

Die in einem System enthaltene Wärme kann als die gesamte kinetische Energie eines Systems betrachtet werden. Die Antwort von my2cts ist richtig, aber ich füge hinzu, dass, wenn Sie ein Elektron auf ein höheres Energieniveau anregen, dies in vielen Fällen tatsächlich zu einer Erwärmung führt (siehe zum Beispiel FRET ).

Die Reibung zwischen den Wassermolekülen und dem Rest des Systems bewirkt, dass sich die Dinge in einer Mikrowelle erhitzen. In einem herkömmlichen Ofen ist es eine direkte Übertragung von kinetischer Energie aus heißer Luft.

Hausaufgabenfrage: Würde sich etwas in der Mikrowelle erhitzen, wenn es kein Wasser enthielte?

Wärme ist Energieübertragung von einer Substanz auf eine andere ausschließlich aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen ihnen. Systeme „enthalten“ keine Wärme. Sie können sich Wärme nicht als die gesamte kinetische Energie eines Systems vorstellen. Der richtige Begriff für die gesamte kinetische Energie (plus potentielle Energie) ist innere Energie.
@BobD das ist richtig. Ich werde meine Antwort bearbeiten.
Welcher Mechanismus auf mikroskopischer Ebene bestimmt, ob sich ein System erwärmt oder nicht?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v