Física en la cocina: las microondas

 (ilustración tomada de este enlace)

¿ Te has preguntado alguna vez porqué el horno de microondas, elemento casi indispensable en las cocinas modernas, es tan eficiente calentando nuestra comida?

Las microondas

Las microondas, así como la luz visible, los rayos ultravioleta, rayos x, ondas de radio y ondas infrarrojas son ondas electromagnéticas. Este tipo de ondas transversales, como las descritas en la publicación anterior Los colores en el cielo ¿Por qué el cielo es azul?, transportan energía (no materia). A diferencia del sonido, no necesitan de un medio para propagarse, y se producen a partir de campos magnéticos cuya intensidad cambia en función del tiempo.

Recordemos que para una onda de este tipo, la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos se denomina longitud de onda y caracteriza a la onda. Los colores, por ejemplo, son ondas con diferentes longitudes de onda.   Algunas veces, en vez de hablar de la longitud de la onda se habla de su frecuencia.  Para un observador en un punto fijo, el tiempo transcurrido entre la observación de dos crestas o dos valles consecutivos de la onda es el periodo. El inverso del periodo (1 dividido por el periodo) es la frecuencia, que se mide en Hertz.  Para onda electromagnéticas, la frecuencia nos da una idea de que tan rápido cambian los campos eléctricos y magnéticos. A mayor frecuencia, más rápido cambian los campos. La frecuencia y la longitud de onda no son independientes una de otra, sino que se relacionan por medio de la velocidad de la onda. 

Las microondas tienen una frecuencia de 2.45 mil millones de Hz, y su longitud de onda es de 12.2 cm. Como las microondas son ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz, aproximadamente 0.3 mil millones de km por segundo o 18 mil millones de km por hora.

Efecto sobre la molécula de agua

La mayoría de nuestra comida proviene de materia orgánica, la cual, así como nosotros mismos, está compuesta en un alto porcentaje por agua. La molécula de agua está formada por un átomo oxígeno y dos de hidrógeno y es una molécula dipolar. Esto significa que los átomos no comparten los electrones por igual. El átomo de oxígeno atrae más los electrones que los átomos de hidrógeno, por lo que podemos  pensar que se forma una región cargada negativamente a su alrededor y una carga positiva en la regiónc ercana a los hidrógenos (figura tomada de este enlace). 

Pensemos ahora en una molécula de agua en un campo eléctrico. Los campos eléctricos son la manera en que las cargas eléctricas se relacionan con su entorno. Por ejemplo, son los responsables por el hecho de que las cargas de igual signo se repelan mientras que las de signos opuestos se atraigan.  En el caso del agua, la molécula  buscará una orientación que minimice su interacción con el campo. Los campos eléctricos ejercen una fuerza sobre  el dipolo de la molécula de agua, la molécula gira hasta alcanzar una posición  en la cual el campo no ejerce más fuerza sobre ella. Vea una animación en este enlace. Si cambiamos la dirección del campo eléctrico, la molécula rotará para ajustarse a la nueva dirección.  Que tan rápido la molécula puede reaccionar a los cambios en del campo va a depender de factores tales como su tamaño y la libertad de movimiento que tenga. Para agua líquida, el tiempo requerido para la rotación de moléculas corresponde al periodo de  las microondas. Por este motivo, el efecto de las microondas es específicamente sobre las moléculas de agua en los alimentos. 

El calentamiento 
Teniendo esta información en cuenta, ¿cómo es que las microondas calientan nuestra comida?

El efecto de calentamiento por microondas se produce por la fricción entre las moléculas que rotan y el medio. La temperatura es una manifestación del movimiento aleatorio (al azar) de moléculas o partículas. El movimiento de las moléculas de agua transmite energía cinética (o energía de movimiento) a otras moléculas que empiezan a moverse aleatoriamente. Entre más energía se transfiera de las moléculas de agua al resto de las moléculas, más se mueven estas últimas y  mas aumenta la temperatura. 

Lo anterior explica también porque descongelar alimentos es más difícil que calentarlos: en su estado sólido (hielo) las moléculas de agua no pueden moverse tan fácilmente, por que el efecto de las microondas es menor.

Esta interacción entre las microondas y las moléculas de agua contenida en los alimentos explica también el hecho de que en el horno de microondas se calienta simultaneamente todo el volumen alimento, mientras que en los hornos convencionales se calientan primero las superficies y ese calor se transmite al resto del cuerpo.