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日記

route127の日記: デビルレンジは摩擦熱 9

日記 by route127

電子レンジの説明でよく、

とあって、TDKの説明なんかでも、

などとある。
マイクロ波により水分子が振動するまではなんとなくイメージできるのだが、そこから摩擦や摩擦熱へは飛躍があるように思える。
これは分子スケールにおいて日常生活スケールで生じる摩擦のイメージを持ち込むことへのためらいがあるからなのだが、本当に電子レンジの加熱原理を説明するのに「摩擦熱」は必要なのだろうか。

熱を分子の運動だとするなら、電子レンジで分子の振動の度合いを増加させた時点で熱エネルギは増加しているはずでそこにわざわざ摩擦を持ち出して説明を行う理由はないはずだ。
ただ水の吸収スペクトルは赤外領域(50~115THz近辺)にあるはずで、マイクロ波が水分子を直接振動させるというのは考え辛くもある。

また実際マイクロ波が何らかの振動を分子に与えることが出来たとして、液体分子同士で摩擦により摩擦熱が生じるというのもイメージしにくい。
液体分子の摩擦というと温度というより粘性の問題のような気もする。
一般的に摩擦というときは固体同士あるいは固液界面で定義はされても液体同士の摩擦というのはあまり聞いたことがない。
巨視的には定義できなくても分子同士であれば摩擦を定義可能なのか?

などと悩んでいたが、やはりマイクロ波で分子は振動しておらず、交番する電場への水の分極の応答の遅れが散逸して熱になる、というような説明がされるようだ。
そうすると氷が家庭用電子レンジ(2450MHz)で融けにくいのも、水と氷の構造の違いが分極の違いが異なるからという説明ができるのだろうか。

業務用解凍機ではマイクロ波の代わりに短波(13.56MHz)を使うらしい。
ただこの場合赤身と脂肪の混在という物性の違いや、扱う対象が大型であることによる浸透力も加味しているようではあるので一概に氷の分極の程度に合わせて周波数を選択しているとも言い切れない。

そこで調べていると2012年公開の科研費成果で「結晶を形成する分子間の水素結合エネルギーが高いので『純粋な氷』はマイクロ波で加熱できない」旨書かれていた。
また、加熱を可能とする散逸の原因は水分子間の摩擦であるともあった。
水分子間の摩擦を懐疑して分極の応答遅れとしての加熱にたどり着いた先で水分子の摩擦が言及されていて振り出しに戻った感があったが引用元に

とあった。

まとめてみると「電子レンジはマイクロ波による電場が水素結合の下で水分子を微小回転させ、それによる分極の遅れが水分子の摩擦による散逸を経て加熱される」と言えそうだがあんまりしっくりこない。
そう考えると電気双極子まで登場させておきながら摩擦熱に着地してしまうTDK(加湿器メーカー)の説明にもそれなりの理由があるのか。

この議論は賞味期限が切れたので、アーカイブ化されています。 新たにコメントを付けることはできません。
  • by clay (41656) on 2020年05月28日 8時42分 (#3823069) 日記

    熱とはなんぞや?って話に帰結すると思うのですが、私の理解では、熱とは(熱の一側面は)分子や原子の振動と思ってました。
    つまり、熱をかければ分子は振動を増す、振動が増加している状態を高温という。炎などの加熱は、高振動状態の熱源からの振動の伝播であると。
    電子レンジでは、分子自身や分子内の結合を強制振動させていて、それを一般的には熱と言う、みたいな?

    • by route127 (38618) on 2020年05月28日 22時15分 (#3823568) 日記

      >分子自身や分子内の結合を強制振動させていて
      水分子の振動数が赤外領域にあるのにそれよりずっと低いマイクロ波で加熱できることから「電子レンジが水分子を振動させている」という描像には違和感があるなあ。

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      • by Anonymous Coward

        固有振動数(共振周波数)で振動させていないと言うだけでは?
        共振現象以外に振動が存在しないわけではないです。
        共振周波数かどうかはこの場合、単に効率がいいか悪いかだけの問題です。

        共振を利用しない分マイクロ波を水分子が吸収する効率が悪くても、反射が容易で、容器も透過しやすいから、繰り返し当たることでトータルの効率が高くなります。

        • by route127 (38618) on 2020年05月30日 0時03分 (#3824384) 日記

          電子レンジが水分子に「ある種の振動」を与えているぐらいまでは譲歩できますが、それでもその「振動」は元のコメントにあったような「分子内の振動」ではなく「分子全体の回転」としてです。
          それは元記事リンク先からマイクロ波は分子内の結合に影響を与えているのではなく、マイクロ波によって形成される交番電場が電気双極子であるところの水分子を微小回転(ある種の振動)させているのだと読み取ったからです。
          なので「マイクロ波を水分子が吸収する」という文言からして今焦点を当てたい現象に対しては荒っぽい物言いに思えました。

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    • by Anonymous Coward

      この理解に近いかな。
      気体の分子の温度が上がると体積が変わらないときはぶつかる分子の数や振れ幅の分のエネルギーが相対的に多くなって圧力が上がり、温度が下がると分子同士もぶつからなくなって圧力がさがって、究極的には 0K (絶対零度)のときには、原子や分子そのものの大きさになるという感じ。
      実際には中性子星にはならないから、圧力が小さいときには体積がほぼ 0 にはならないですけどね。

      この考え方でいくと、ある一定温度よりも高い温度になったとき、分子や原子などの移動速度がある一定よりも大きくなる、つまり光速を超えてしまうので、たぶん正しくないのだろうなと思ってます。

  • by Anonymous Coward on 2020年05月27日 23時03分 (#3822955)

    水分子の摩擦で熱が発生することを実験した例が過去にありましたね
    容器に水を入れてかき回し続けると水温が上がるというものでした

    • by route127 (38618) on 2020年05月28日 22時18分 (#3823571) 日記

      >容器に水を入れてかき回し続けると水温が上がる
      大抵の物理の教科書に載っているジュールの実験装置もこんなので実験精度が出るのかと思って調べたら華氏で1/200度の精度があった [netsu.org]らしい。
      それだけの精度があってもトムソンに見いだされるまでは無視し続けられたそうではあるが。

      親コメント
    • by Anonymous Coward

      今じゃすっかりショーになっている草津温泉の湯もみ
      実は本来温泉の温度を上げるために行っていたのです

      って言い続けてたらいつか諸説ありますに入るかしら?

      # はいろむさんの誤字はPVとコメント稼ぎって冗談で言ってたら
      # 本気にしだす子がいてワラタ

  • by Anonymous Coward on 2020年05月28日 12時22分 (#3823200)

    パーシー・スペンサーってしってる?
    彼がマイクロウェーブオーブンを初めて大衆に説明しようとしたとき、マグネトロンの働きをどのように表現したか?
    そもそも「TDKの説明」っていうけど、その説明文をTDKが全部自分で考えて説明してると勘違いしちゃった?

    // こいつの考察って、いつも根本的な所からずれてんな…

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犯人は巨人ファンでA型で眼鏡をかけている -- あるハッカー

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