כשמחממים נוזל במיקרו, התפלגות הטמפרטורה של הנוזל אינה אחידה. הסיבה היא פיזור לא אחיד של השדה האלקטרומגנטי ואופן מעבר החום. הפתרון לבעיה? לשים נייר כסף במיקרוגל.

נניח שאתם רוצים להכין תה, אך אין לכם קומקום. מה תעשו? לאמריקאים התשובה ברורה – נחמם מים במיקרוגל. מסתבר שחימום בדרך הזו הוא תהליך לא טריויאלי והמים לא מתחממים בצורה אחידה. חוקרים מאוניברסיטה של מדע וטכנולוגיה אלקטרונית בצ׳נגדו בסין חקרו את הנושא והגיעו למסקנות מרתקות [1].

אחד ההבדלים בין חימום מים בסיר (או בקומקום) לבין מיקרוגל הוא האופו שבו מועבר החום למים. במקרה של חימום בסיר, תחתית הסיר מתחממת מהאש והחום מועבר למים בתהליך של הולכה דרך הדופן של הסיר. הולכה היא  תהליך מעבר חום בו אין תזוזה של החומר עצמו, אלא רק תנועה של חלקיקים בתוכו, תנועה שאינה נראית לעין [2].

כשהחום מגיע למים, מתחיל תהליך של מעבר חום נוסף. שכבת המים ליד דופן הסיר מקבלת מהדופן את החום בהולכה ומתחממת. אבל- השכבות של המים מעל הן קרות. כתוצאה מהפרש טמפרטורות המים מתחילים להתערבב – ועכשיו חלק מהמים החמים עולים למעלה ולא מקבלים חום מהדופן, וחלק מהמים הקרים יורדים למטה ומקבלים חום מהתחתית. ככה זה ממשיך עד שכל המים מתחממים. התהליך הזה נקרא "הסעה טבעית". הסעה טבעית היא פחות יעילה ככל שהנוזל צמיג יותר. לכן, כשמבשלים מרק אפשר לתת לו להתבשל, אבל כשמבשלים דייסה צריך לערבב אותה כל הזמן.

במקרה של חימום במיקרו המצב שונה מחימום בסיר. במקרה זה מקור החום הוא פליטה של גלים אלקטרומגנטים בתדר של 2.45 ג'יגה-הרץ מאנטנה הממוקמת בדופן המכשיר. חומרים רבים (מים, שמנים ועוד)  סופגים את הקרינה בתדר זה. מה הכוונה בספיגה? כאשר הקרינה פוגעת בחומר היא משפיעה על המולקולות, גורמת להן לרטוט, ובסופו של דבר  גורמת להן לנוע מהר יותר בתוך החומר. כך הקרינה מגבירה את האנרגיה של המולקולות של החומר, והוא הופך לחם יותר.

במיקרוגל ביתי הגלים נפלטים בצד אחד של המכשיר. לכן, פיזור הגלים במיקרו הוא לא אחיד  ובמים נוצרים מקורות חום רבים במקומות שונים. מקורות אלה יכולים לחמם את המים סביבם בהסעה, בדומה למים בסיר, אבל כאן מדובר במספר רב של מקורות קטנים ומפוזרים. אם רוצים לתאר את מעבר החום ולהבין אותו טוב יותר, מדובר באתגר.

קבוצת החוקרים מסין החליטה לבדוק את תהליך חימום המים במיקרוגל. הם בנו מודל ממוחשב של מיקרוגל עם כוס מים בפנים וביצעו סימולציה רב תחומית. סימולציה רב-תחומית היא סימולציה שפותרת ביחד משוואות של תופעות שונות, אך קשורות. במקרה הזה – פיזור של שדה חשמלי בתוך חלל המיקרוגל, אפיון של ה"נקודות החמות" שנוצרות במים בגלל אותו שדה החשמלי, פתרון של משוואות מעבר חום מהנקודות החמות  לסביבה שלהן ופתרון של משוואות זרימה כתוצאה מהבדלי טמפרטורה בכוס. כל זה  מוביל לחיזוי של  התפלגות הטמפרטורה במים.

כצפוי, התוצאה של החישוב הייתה שהתפלגות הטמפרטורה של מים בכוס היא לא אחידה. הטמפרטורה של המים עולה ככל שנמצאים גבוה יותר בכוס. ההפרש הוא גדול – בזמן חימום של 90 שניות בחלק העליון של הכוס טמפרטורת המים היא 45 מעלות צלזיוס ובחלק התחתון – 20 מעלות צלזיוס. תוצאות דומות התקבלו בניסוי.

אז מה עושים בשביל שהטמפרטורה תהיה אחידה יותר? דרך אחת שהחוקרים הציעו היא לשים כוס בתוך כוס (כשבשתיהן יש מים). הכוסות צריכות להיות ממוקמות כך שהכוס המוכלת מוחזקת מהדופן ותופסת את החלק העליון של כוס המכילה. כך המים מתערבבים פחות ומתקבלת טמפרטורה אחידה בתוך כל אחת מהכוסות. יש לציין שבשיטה זו, הטמפרטורה שהתקבלה בכוס התחתונה היתה גבוהה יותר בכ-6 מעלות מהכוס העליונה.

האפשרות השנייה שהוצעה היא להשתמש במוליך גלים על מנת למנוע יצירת שדה חשמלי בחלק העליון של הכוס. מוליך גלים [3] הוא התקן מעגלי שלרוב משמש בשביל העברה של גלים אלקטרומגנטים ממקום למקום. קוטרו של מוליך הגלים יקבע מה יהיה אורך הגל של הגלים המועברים. מוליך בקוטר 6 ס"מ (שזה קוטר הכוס) לא מעביר גלים בתדר מתחת ל-2.93 ג'יגה-הרץ. התדר של הגלים בניסוי היה 2.45 ג'יגה הרץ, לכן שימוש במוליך כזה היה מבטל את התפשטות הגלים בתוכו.

איך בונים מוליך גלים כזה? צריך לעטוף את החצי העליון של הכוס בנייר כסף (גם מבפנים וגם מבחוץ). כן, כן, נייר כסף. לטענת הכותבים של המאמר זה לא יתפוצץ (מדג"ב לא בדקו את נכונות הטענה, ו*לא* ממליצים לקוראים לבדוק בעצמם). התוצאות מראות שהפיזור של הטמפרטורות הוא יותר אחיד. הוא נהיה עוד יותר אחיד אם בנוסף לעטיפה, גם שמים מכסה לכוס.

 כמובן, אפשר פשוט לערבב את המים עם כפית לאחר החימום, אבל מה הכיף בזה?

מקורות:

[1] – קישור למאמר המקורי

[2] – סוגים שונים של הולכת חום

[3] – הסבר על מוליך גלים