전자레인지는 불 없이도 음식을 뜨겁게 데우는 원리는?

Question

전자레인지는 불 없이도 음식을 뜨겁게 데웁니다. 음식물 속에 포함된 극성 물 분자가 마이크로파의 전기장 변화에 따라 초당 수십억 번 회전하며 발생하는 마찰열의 화학적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

전자레인지는 불을 피워 겉면부터 열을 전달하는 것이 아니라, 마이크로파라는 파동 이용해 음식물 내부의 물 분자 스스로가 격렬하게 움직여 열을 내도록 만드는 방식입니다. 그 원리에 대해 설명해 드릴게요.

전자레인지 내부의 마그네트론이라는 장치는 주파수가 약 2.45GHz(인 마이크로파를 뿜어냅니다. 마이크로파는 전기장의 방향이 위아래로 끊임없이 바뀌며 파동을 칩니다. 이 마이크로파가 음식물을 통과할 때, 음식물 속 수분에서는 격렬한 반응이 일어납니다.

먼저, 외부에서 전기장이 걸리면, 나침반 바늘이 지구 자기장에 정렬하듯 극성을 띤 물 분자들도 전기장의 방향에 맞춰 스스로를 회전시켜 줄을 서려고 합니다. 그런데 마이크로파의 전기장 방향이 1초에 24억 번씩 뒤집힙니다. 물 분자들도 이 변화무쌍한 전기장의 방향을 따라잡기 위해 1초에 수십억 번씩 좌우로 방향을 틀며 회전해야 합니다. 음식물 내부는 물 분자들이 빽빽하게 뭉쳐 있는 상태인데, 수많은 물 분자들이 좁은 공간에서 엄청난 속도로 회전하다 보니, 주변의 다른 분자들과 끊임없이 충돌하고 비벼지며 강한 마찰을 일으킵니다. 이 분자 수준의 운동 에너지가 열에너지로 전환되면서 음식의 온도가 순식간에 올라가게 되는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 전자레인지는 가스레인지처럼 불로 용기를 달구어 음식을 가열하는 것이 아니라, 마이크로파라는 전자기파를 이용해 음식 내부에서 직접 열을 만들어 냅니다. 전자레인지에서 발생하는 마이크로파는 보통 2.45GHz의 주파수를 가지며, 이는 전기장의 방향이 1초에 약 24억 5천만 번 바뀐다는 뜻입니다.

음식 속에는 물이 많이 들어 있는데, 물 분자는 산소 쪽은 약간 음전하, 수소 쪽은 약간 양전하를 띠는 극성 분자입니다. 이러한 극성 때문에 물 분자는 전기장이 걸리면 전기장의 방향에 맞추어 회전하려는 성질이 있는데요, 전자레인지의 마이크로파가 음식을 통과하면 전기장의 방향이 매우 빠르게 바뀌고, 물 분자들도 그 변화에 맞춰 계속 방향을 바꾸려 합니다. 하지만 실제 음식 속에서는 물 분자가 자유롭게 움직일 수 있는 것이 아니라 주변의 다른 물 분자, 단백질, 지방, 탄수화물 등과 서로 부딪히며 움직입니다. 이 과정에서 분자 사이의 충돌과 마찰이 계속 일어나고, 마이크로파로부터 받은 전자기 에너지가 열에너지로 전환됩니다. 엄밀히 말하면 마찰열은 거시적인 마찰이라기보다 분자들이 빠르게 회전하고 진동하면서 에너지가 열운동으로 바뀌는 유전 가열 현상인 것입니다. 또한 전자레인지는 물만 가열하는 것이 아닌데요, 지방이나 당류처럼 일부 다른 극성 성분도 어느 정도 마이크로파를 흡수하지만, 물이 가장 많이 포함되어 있고 마이크로파를 잘 흡수하기 때문에 대부분의 가열은 물 분자를 중심으로 이루어지는 것입니다. 그래서 수분이 많은 국, 찌개, 채소는 빨리 데워지는 반면, 수분이 적은 빵이나 과자는 상대적으로 잘 데워지지 않거나 쉽게 마를 수 있습니다. 이때 전자레인지의 마이크로파는 음식 속으로 몇 센티미터 정도만 침투하기 때문에 매우 두꺼운 음식은 중심부까지 에너지가 충분히 전달되지 않을 수 있는데요, 이 경우에는 먼저 가열된 부분의 열이 내부로 전도되어 전체가 따뜻해집니다. 그래서 전자레인지에는 회전판이나 마이크로파를 고르게 분산시키는 장치가 있어 음식이 가능한 한 균일하게 가열되도록 설계되어 있습니다. 감사합니다.