Q-03 微波炉是如何加热食物中的水分的？

“不用火也能加热食物！”——微波炉的诞生可以说是食物加热领域的“革命”。日本于1962年开始实现家用微波炉的量产。随后，由于微波炉加热时间短、不用明火、安全性高的特点，迅速在全日本得到普及。据推测，如今日本的微波炉普及率已达96%左右。

从图1中我们能够看出，微波炉的外壳是一个能够隔绝电波的密闭箱。微波炉工作时，其中的磁控管会产生强力电波（电磁波），并通过波导管作用到微波炉内的食物上。这些电波频率非常高（2.45吉赫=2450兆赫），因此被称作微波。这里的“吉”代表10亿（109），也就是说，微波每秒钟的振动次数可达24.5亿次。

电波的能量是怎样转化为热量的？

微波炉所产生的微波，加热的其实是食物中的水分。虽然食物中的水分子并不是唯一受到这种高频电磁波影响的，却是受影响最大的。如图2所示，水分子是由1个氧原子和2个氢原子组成，化学式为H₂O。它的结构特征决定了其具有明显的偶极子属性。而分子内两个正电荷对应一个负电荷这一特性，也使得水分子对电磁波极为敏感。

如图3所示，当只有一个水分子时，偶极子会根据磁场方向迅速改变自身方向。这时，分子内氢原子的位置会产生巨大变动，也就是“分子内旋转”。然而，对于液态水来说，决定其状态的因素是各个分子间的关系。当磁场改变时，分子间会产生一种联动，而且这种联动的反应速度是快于分子内旋转的。

图1 微波炉构造示意图

磁控管所产生的电波通过波导管发射并作用在食物上。虽然为了使食物均匀受热，波导管的出口已做了相应的设计，但由于炉腔内部的微波会发生反射，导致微波很难均匀分布。因此，很多微波炉选择通过旋转食物来解决这一问题。

图2 水分子的结构

上图为较常见的水分子模型，也可表示为H-O-H。水分子内的电荷并非均匀分布，中央的氧原子带负电荷，两端的氢原子带正电荷，并形成一个约为90°的夹角。在分子中，表示电荷分布情况的物理量被称为偶极矩，具有方向性。水分子中偶极矩的方向便是从负电荷指向两个正电荷中间。

跟随磁场方向不断变化的水分子是热量的来源

液态的水与其他液体不同，分子间并非只是单纯聚集在一起，它们是“各自为政”的。通过对水分子的观察可以发现，拥有正电荷的氢原子会将相邻水分子中带有负电荷的氧原子拉向自己。水分子间的这一现象被称为氢键缔合。所以对于水分子来说，除了具有其他普通液体都具有的分子力之外，还多了一个氢键缔合的力作用于分子之间。

氢键缔合可以看作图4中分子间的灰色细箭头，在它的作用下，一个个独立的水分子连接成了一张网。然而这样的氢键缔合轻易就能被打破，然后在不同的水分子间重新建立起新的氢键缔合。振动的磁场就作用在处于无序变化的分子网中。就像身处早高峰的地铁中，人们难以活动身体一样，每个水分子的动作也都是很不灵活的。它们整体的活动虽然会像图4那样基本保持与磁场一致，但由于分子间相互作用力的影响，会造成分子的“反应迟钝”。而动作不一致又会引起分子间的互相拉扯，在不断的拉扯中“热”便逐渐产生了。

图3 偶极子会根据磁场方向改变自身方向

水分子中的氧原子带负电荷，氢原子带正电荷，具有偶极矩（黑色箭头）。因此，在磁场方向（灰色箭头）的影响下，偶极子会改变自身的方向。

图4 液态水中水分子的运动

水分子间通过氢氧结合的方式形成网状结构，但并不稳定。若无磁场的影响，偶极子的方向通常是无序的，如左图所示。若将水置于向右的磁场中（如右图所示），那么偶极子的方向基本都会偏向右边（在热运动与氢氧结合网的影响下发生振荡）。若磁场方向变为向左，那么大部分偶极子的方向也会发生反转。但由于这种转变并非同时发生，所以难免会产生一些“特例”。

参考文献：江马一弘著，《光为何物》，宝岛社，2014