¿Por qué las microondas solo calientan moléculas polares?

La radiación EM es básicamente un campo eléctrico oscilante perpendicular a un campo magnético oscilante:

El componente del campo eléctrico oscilante de la radiación hace que una molécula polar (agua) intente alinear su momento dipolar eléctrico con el campo eléctrico. Por lo tanto:

1- Las moléculas de agua comenzarán a oscilar, el dipolo se moverá con el campo.

2- La oscilación del campo es lo suficientemente “lenta” para que las moléculas sigan la oscilación pero lo suficientemente “rápida” como para que la oscilación se convierta en calor apreciable en tiempo suficiente (¡con una onda de radio tomaría décadas tal vez!). La frecuencia en un microondas suele ser de 2,45 GHz, que es de 2,45 mil millones de oscilaciones por segundo.

Una molécula apolar no intentará alinear el dipolo, por lo tanto, puede que no funcione en el microondas. Escribo podría, porque podría coincidir exactamente con la radiación para inducir algunas transiciones cuantificadas de la rotación de las moléculas, lo que eventualmente calentaría el sistema. Entonces, para el nitrógeno líquido, necesitaría una frecuencia muy específica (más bien como un conjunto de bandas estrechas …).

Además, tal oscilación también puede inducir oscilaciones en los iones en el agua, lo que también conducirá al calentamiento.

Así que hay algunos conceptos clave en juego aquí.

Primero, la temperatura es la propiedad macroscópica debido a la gran cantidad de movimientos microscópicos de los átomos / moléculas.

En segundo lugar, los momentos dipolares son configuraciones en las que un objeto tiene 2 “polos” diferentes. Puede tener dipolos eléctricos, donde hay una carga + en un extremo y una carga – en el otro, o dipolos magnéticos donde un objeto tiene un polo magnético Norte y Sur en cada extremo.

Tercero, cuando un dipolo está en un campo electromagnético, experimenta un par. Para dipolos eléctricos que viene dado por [math] \ tau = p \ times E [/ math] y para dipolos magnéticos es [math] \ tau = u \ times B [/ math], donde p es el momento del dipolo eléctrico y u es el momento dipolar magnético.

Ahora, al juntarlo todo, una molécula como el agua es extremadamente polar (eléctricamente), por lo que experimenta un par cuando se expone a la radiación electromagnética (es decir, microondas), que en realidad solo oscila campos eléctricos y magnéticos. El par debido al campo oscilante gira las moléculas de agua de un lado a otro, porque es muy polar, lo que equivale a muchas sacudidas, ¡y recuerde que más sacudidas equivalen a aumentar la temperatura! Si una molécula no es muy polar, no verá un gran torque y, por lo tanto, no se moverá y su temperatura realmente no se verá muy afectada.

Todo lo que puede suceder para las moléculas no polares es que la radiación EM podría rebotar en las moléculas o ser absorbida y reemitida. De hecho, existe una técnica llamada enfriamiento de Lazer donde la luz rebota en las moléculas que viajan en la dirección opuesta, lo que las ralentiza y, por lo tanto, hace que la sustancia se enfríe. Esto se usa en el primer paso para crear condensado de Einstein de bose ultra frío.