Почему верхняя часть левой чашки находится там, где вода наполняется, самая горячая точка, а не точки ниже?

Микроволновые печи нагревают пищу и напитки за счет колебания молекул воды в еде/напитке, тем самым повышая температуру этих молекул и, следовательно, температуру еды/напитка.

Законы термодинамики говорят нам, что чем выше температура материала, тем больше у него тепловой энергии. И при данной температуре, чем больше конкретное вещество, тем большей суммарной тепловой энергией будет обладать это вещество при нагревании.

Фактически теплоемкость (способность поглощать тепло) определяется выражением

где$Q$это количество теплоты, которое необходимо сообщить воде массы$m$для повышения его температуры на$\Delta T$, и$C$называется удельной теплоемкостью , которая является постоянной величиной для различных веществ. Обратите внимание, что чем больше масса, тем больше тепловая энергия будет присутствовать.

Теплоемкость воды относительно выше, чем у твердых тел. На молекулярном уровне микроволны заставляют атомы твердого тела вибрировать навстречу друг другу и отдаляться друг от друга, как если бы они были связаны пружиной. По мере повышения температуры частота/энергия этих колебаний увеличивается. В твердом теле это практически единственное доступное движение. В жидкости, такой как вода (и газы), поглощенная тепловая энергия приводит к тому, что атомы в$H_2 O$молекула вибрировать и вращаться, а также переводить. Это означает, что у молекул воды больше возможных микросостояний , и из-за этого их теплоемкость больше, чем у твердых тел. Таким образом, если мы поместим в микроволновую печь объект с большим содержанием воды, тем горячее он станет по сравнению с объектом с меньшим содержанием воды (при прочих равных параметрах, таких как размер объектов, мощность микроволн, начальная температура объектов, время приготовления и т. д.). ).

Возможность первая:

Если мы посмотрим на левую чашу, то увидим, что она имеет коническую форму (учитывайте объем, скажем, на каждый миллиметр высоты), и поэтому вверху будет больше воды, чем внизу. Это означает, что в верхней части чашки будет большая масса воды, поглощающая энергию микроволн, чем в нижней, что приводит к градиенту тепловой энергии с более высокой температурой вверху и более низкой температурой внизу. А поскольку объем чашки равномерно уменьшается по мере того, как мы опускаемся ко дну чашки, то и температура воды будет уменьшаться.

Мы не ожидали того же от чашки справа. На самом деле мы ожидаем, что в среднем температура наверху чашки будет такой же, как мы движемся вниз к дну - мы также предполагаем, что микроволновая печь распространяет свое излучение равномерно по всему микроволновому отсеку.

Это кажется согласующимся с вашими экспериментально определенными результатами.

Второй вариант:

Микроволны также имеют особую структуру стоячих волн в отсеке. Это могло бы объяснить, почему в конической чашке вода наверху была более горячей, чем внизу. Но почему в керамической чашке должна быть постоянная температура воды сверху донизу? Возможное объяснение состоит в том, что микроволны взаимодействуют не с водой, а с самой кружкой. Таким образом, микроволны нагревают верхнюю часть чашек напрямую, и даже если стоячие волны образуются в «верхних областях» чашек, может иметь место проводимость по всей длине чашки. Если чашка нагревается таким образом, то, поскольку она передает это тепло воде, температура наверху будет такой же, как и на дне.