 |
Микроволновые печи могут взаимодействовать с веществом
|
|
|
|
В общем можно охарактеризовать, как объемные материалы ведут себя в микроволновом поле. Материалы могут поглощать энергию, они могут отражать энергию, или они могут просто передавать энергию. Надо отметить, что немногие материалы являются или чисто поглотителями, чисто отражателями, или полностью прозрачными к микроволнам. Химический состав материала, также как физический размер и форма, влияет на поведение в микроволновом поле.
Микроволновое взаимодействие с веществом характеризуется глубиной проникновения. Таким образом, микроволны могут проникнуть только на определенное расстояние в объем вещества. Глубина проникновения зависит не только от состава материала, но и от частоты микроволн. Неверно, что микроволны "нагревают" объемный материал "изнутри".
Два основных механизма взаимодействия с веществом
Есть два определенных механизма взаимодействия между материалами и микроволнами: (1) дипольные взаимодействия и (2) ионная проводимость. Оба механизма требуют эффективного сцепления между компонентами целевого материала и быстро колеблющимся электрическим полем микроволн.
Дипольные взаимодействия происходят с полярными молекулами. Полярные концы молекулы имеют тенденцию выравниваться и колебаться синхронно с колеблющимся электрическим полем микроволн. Столкновения и трение между перемещающимися молекулами приводят к нагреванию. В общем, чем молекула более полярна, тем более эффективно она взаимодействует с (и будет под влиянием), микроволновым полем.
Ионная проводимость не сильно отличается от дипольных взаимодействий. Очевидно, ионы в растворе не имеют дипольного момента. Они - заряженные частицы, которые распределены и могут взаимодействовать с колеблющимся электрическим полем микроволн. Эффективность или скорость микроволнового нагревания ионного раствора зависит от концентрации ионов в растворе.
|
|
|
Материалы имеют физические свойства, которые могут быть измерены и использоваться, для предсказания их поведения в микроволновом поле. Один расчетный параметр - фактор разложения, часто называемый тангенсом потерь. Фактор разложения - отношение диэлектрических потерь (фактор потерь) к диэлектрической постоянной. Делая еще один шаг, диэлектрические потери - мера того, насколько хорошо материал поглощает электромагнитную энергию, которой это выставлено, в то время как диэлектрическая постоянная - мера поляризуемости материала, по существу, насколько сильно он сопротивляется движению или полярных молекул или ионов в материале. И диэлектрические потери и диэлектрическая постоянная - измеряемые свойства.
Микроволновое нагревание отличается от обычного
Обычные методы нагрева
Во всех обычных средствах для того, чтобы нагревать смеси реакции, нагревание исходит от поверхности, это обычно внутренняя поверхность реакционного сосуда. Используется ли нагревающуюся сетку, масляную баню, паровую ванну, или даже спиральный нагреватель, смесь должна быть в непосредственном контакте с поверхностью, которая имеет более высокую температуру, чем остальная часть смеси.
При обычном нагревании, энергия передается от поверхности, к объему смеси, и, в конечном счете, к реакционным частицам. Энергия может или сделать реакцию термодинамически разрешенной, или может увеличить кинетику реакции.
При обычном нагревании, непосредственное смешивание реакционной смеси может осуществляться путем конвекции, или с помощью механических средств (перемешивание), чтобы равномерно распределить реагенты и температуру по всему реакционному сосуду. Условие температурного равновесия, таким образом, может быть установлено и поддержано.
|
|
|
Хотя это очевидно, но все-таки это должно быть отмечено здесь, что при обычном нагревании открытых реакционных сосудов, самая высокая температура, которая может быть достигнута, ограничена точкой кипения конкретной смеси. Чтобы достигнуть более высокой температуры в открытом сосуде, должен использоваться высококипящий растворитель.
Микроволновое нагревание
Микроволновое нагревание происходит несколько по-другому по сравнению с обычным нагреванием. Во-первых, реакционный сосуд должен быть значительно прозрачен для микроволн. Выбор материала сосуда ограничен фторполимерами и некоторыми другими техническими пластмассами, типа полипропилена, или стеклом, наполненным волокном PEEK (поли эфир-эфир-кетон). Нагревание реакционной смеси исходит не от поверхности сосуда; стенка сосуда - почти всегда имеет более низкую температуру, чем реакционная смесь. Фактически, стенка сосуда может быть эффективным способом потери высокой температуры реакционной смеси.
Во-вторых, для микроволн, греющих, для протекания реакции, необходим некоторый компонент реакционной смеси, который поглощает проникающие микроволны. Микроволны проникнут через реакционную смесь, и если они будут поглощены, то энергия будет преобразована в высокую температуру. Так же, как и с обычным нагреванием, смешивание реакционной смеси может произойти путем конвекции, или механически (перемешивание), чтобы равномерно распределить реагенты и температуру по всему реакционному сосуду.
Микроволновый эффект
Чтобы понять, как микроволновое нагревание может иметь эффекты, которые отличаются от обычных нагревающих методов, нужно сосредоточиться на том, что в реакционной смеси фактически поглощается микроволновая энергия. Нужно признать тот простой факт, что материалы или компоненты смеси реакции могут отличаться по их способности поглощать микроволны. Отличия в поглощении микроволн приводят к различному нагреванию и локализуют тепловую неоднородность, которая не может быть получена обычными нагревающими методами.
|
|
|
Для иллюстрации последствий представлены несколько примеров, где рассматривается микроволновое поглощение в объеме растворителем и/или незначительной концентрацией реагентов в растворителе.
Пример 1: Растворитель и реагенты поглощают микроволны одинаково.
Если растворитель и реагенты поглощают микроволновые печи одинаково, то передача энергии и нагреваниепроникнут на определенную глубину в объем смеси. Гомогенные условия реакции могут быть установлены с полным смешиванием, и в равновесии (химическом и тепловом), температура реагентов будет такой же самой, как и в объеме растворителя.
В этом случае, скорость реакции могут быть увеличена, увеличением температуры реакционной смеси. Это может легко быть достигнуто, используя методы микроволнового нагрева в закрытом резервуаре, используя тот же самый химизм реакции и растворитель. Альтернативно, используя обычные нагревающие методы, более высокие температуры реакции могут быть достигнуты в закрытой реакторной системе, или при использовании высококипящего растворителя в открытом сосуде.
Пример 2: Растворитель поглощает микроволны, а реагенты намного меньше
Если растворитель поглощает микроволны, а реагенты не поглощают (или поглощают в меньшей степени, чем растворитель), то передача энергии и нагревание растворителя произойдет на определенную глубину проникновения. В объеме растворитель, в свою очередь, нагреет реагенты теплопроводностью. Гомогенные условия реакции могут быть установлены с полным смешиванием, и в равновесии температура реагентов будет тем же самым, как и в объеме растворителя.
|
|
|
12 |
