微波加熱的一些知識

微波加熱的一些知識

微波加熱不同于一般的常規(guī)加熱方式，后者是由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導(dǎo)式加熱，而微波加熱是材料在電磁場中由介質(zhì)損耗而引起的“體加熱”或“內(nèi)加熱”（如圖所示）。微波加熱意味著將微波電磁能轉(zhuǎn)變成為熱能，其能量是通過空間或媒質(zhì)以電磁波形式來傳遞的，對物質(zhì)的加熱過程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化有著密切的關(guān)系。

　　微波是非電離輻射能，它的能量不足以破壞化學(xué)鍵，但卻足以引發(fā)分子轉(zhuǎn)動或離子移動，從而產(chǎn)生熱能。目前認(rèn)為其加熱機(jī)理有以下幾種：
① 離子傳導(dǎo)機(jī)理
　　離子傳導(dǎo)是電磁場中可離解離子的導(dǎo)電移動，離子移動形成電流，由于介質(zhì)對離子流的阻礙而產(chǎn)生熱效應(yīng)。溶液中所有的離子均起導(dǎo)電作用，但作用大小與介質(zhì)中離子的濃度和遷移率有關(guān)。因此，離子遷移產(chǎn)生的微波能量損失依賴于離子的大小、電荷量和導(dǎo)電性，并受離子與溶劑分子之間的相互作用的影響。
② 偶極子轉(zhuǎn)動機(jī)理
　　介質(zhì)是由許多一端帶正電、一端帶負(fù)電的分子（或偶極子）組成的。在2450MHz 的電場中，偶極子以4.9×10⁹次/s 的速度快速擺動。由于分子的熱運(yùn)動和相鄰分子的相互作用，偶極子隨外加電場方向的改變而作規(guī)則擺動時受到干擾和阻礙，就產(chǎn)生了類似摩擦的作用，使雜亂無章運(yùn)動的分子獲得能量，以熱的形式表現(xiàn)出來，介質(zhì)的溫度也隨之升高。
　　偶極子轉(zhuǎn)動加熱的效率與介質(zhì)弛豫時間τ、介質(zhì)的溫度和黏度有關(guān)。當(dāng)角頻率ω=1/τ（ω=2πf , f 為微波頻率）時，因偶極子轉(zhuǎn)動引起有效耗散的物質(zhì)在每一周期中出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的最大值。當(dāng)非電離的極性介質(zhì)的1/τ與微波能的角頻率接近時，介質(zhì)的耗散因子較大，微波加熱作用顯著。溫度從很大程度上決定了兩種能量轉(zhuǎn)換機(jī)理對加熱的相對貢獻(xiàn)。對小分子而言，如水和其他溶劑，隨著介質(zhì)溫度的升高，因偶極子轉(zhuǎn)動引起的介質(zhì)有效損耗降低；相反，因離子傳導(dǎo)引起的介質(zhì)有效損耗增大。因此，對離子型物料，微波開始加熱時，介質(zhì)的耗散因子主要由偶極子轉(zhuǎn)動機(jī)理支配，隨溫度升高則由離子傳導(dǎo)機(jī)理支配。兩種加熱機(jī)理對介質(zhì)加熱的貢獻(xiàn)還取決于介質(zhì)離子的遷移率、濃度以及介質(zhì)的弛豫時間等。如果介質(zhì)離子的遷移率和濃度較低，介質(zhì)的加熱主要由偶極子轉(zhuǎn)動機(jī)理控制；反之，微波加熱將由離子傳導(dǎo)機(jī)理控制，升溫速率不受溶液弛豫時間限制。
　　微波在傳輸過程中遇到不同物料時，會產(chǎn)生反射、吸收和穿透現(xiàn)象，這主要取決于物料的介電常數(shù)、介質(zhì)損失因子等。而介質(zhì)損失因子與介質(zhì)的介電常數(shù)的比值即耗散因子（tanδ的大小，反映了介質(zhì)將吸收的微波能轉(zhuǎn)化成熱能后釋放熱量能力的強(qiáng)弱。

　　式中，ε′為介電常數(shù)，反映電介質(zhì)吸收微波能力的強(qiáng)弱；ε″為介質(zhì)損失因子，反映介質(zhì)耗散微波能的效率。某些溶劑的介電常數(shù)較大，但如果它的耗散因子小，在單位時間內(nèi)吸收微波能多，因而容易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。下表列出了一些物質(zhì)的ε′、ε″和tanδ（3000MHz和25℃下）。由下表可見，ε′和ε″間并無嚴(yán)格的關(guān)系，但物質(zhì)吸收微波能的能力隨tanδ的增大而增大。

　　微波加熱的能力還與微波頻率以及樣品的組成、溫度、形狀有關(guān)。樣品吸收微波能的有效程度與微波頻率有關(guān)，每一種物質(zhì)都對應(yīng)一個特征頻率。在此頻率下，物質(zhì)吸收微波能最有效。但市售的微波儀器其微波頻率均為2450MHz ，所以不必考慮此影響。測試溫度可以用到的：溫度計| 溫度表| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計