微波炉的加热原理解析

喝茶多年来的人一直在这么说，在微波炉里加热的茶水就不一样了。通常，当液体被加热时，加热源，例如火炉子从下面加热容器。通过一种称为对流的过程，当朝向容器底部的液体升温时，它会变得不那么稠密，并移动到顶部，从而允许较冷的液体部分接触到源，这最终导致整个玻璃温度均匀。然而，在微波内部，充当加热源的电场无处不在。

因为整个玻璃本身也在升温，所以不会发生对流过程，容器顶部的液体最终会比底部液体热得多。来自中国电子科技大学的一组研究人员，对这种不均匀的加热行为进行了研究，通过设计沿着玻璃边缘的镀银层，研究小组能够屏蔽液体表面的微波效应。

白银起到了引导波浪的作用，降低了顶部的电场，有效地阻挡了加热。这会产生与传统方法相似的对流过程，从而产生更均匀的温度。将银放入微波炉似乎是一个危险的想法，但类似的金属结构，其几何形状经过精细调整，以避免点火，已经安全地用于微波蒸汽锅和电饭锅。研究的作者之一、电子科技大学电子科学与工程教授曾宝青（音译）表示：

在仔细设计了适当大小的金属结构后，容易着火的金属边缘位于弱场强，可以完全避免着火，所以仍然是安全的。通常认为，在加热时，由于热对流的作用，液体的流动性可以使温度场均匀，但在微波加热时则有所不同。当用微波加热时，顶部温度总是液体中最高的。研究对微波加热的水和酒精以及微波加热大米的温度分布，进行了多物理模拟和实验比较。

为了使微波加热的液体温度分布均匀，采用截止波导控制微波加热，提高温度均匀性。实验结果表明，采用7 cm金属涂层的改性玻璃杯加热微波炉中的水时，水的上下温差由7.8°C降至0.5°C。而且改性玻璃杯放置在陶瓷板中心，远离腔壁，无火花点火现象。固体不会发生对流，所以让剩菜均匀升温是一个完全不同的挑战。

对于固体来说，没有简单方法来设计碗或盘子来达到更好的加热效果，可以改变场域分布，但变化很小，所以改善有限。该小组正在考虑其他方法来改善固体食品的不均匀性，但目前这些方法过于昂贵，无法实际使用。目前正集中精力与一家微波炉制造商合作，将液体微波炉配件商业化。那么茶水可以用微波炉加热而不会受到嘲笑的未来可能不会太远了。

参考文献：Multiphysics analysis for unusual heatconvection in microwave heating liquid.

编辑：黄飞