Calentamiento dieléctrico

La rotación molecular se produce en materiales que contienen moléculas polares con momento dipolar eléctrico , lo que provoca que se alineen en un campo electromagnético . Si el campo oscila, como en una onda electromagnética o un campo eléctrico que oscila rápidamente, estas moléculas rotan continuamente alineándose con él. Esto se denomina rotación dipolar o polarización dipolar. A medida que el campo alterna, las moléculas invierten su dirección. Las moléculas en rotación empujan, tiran y colisionan con otras moléculas (mediante fuerzas eléctricas), distribuyendo la energía a las moléculas y átomos adyacentes en el material. El proceso de transferencia de energía desde la fuente a la muestra es una forma de calentamiento radiativo.

La temperatura está relacionada con la energía cinética promedio (energía de movimiento) de los átomos o moléculas de un material, por lo que agitar las moléculas de esta manera aumenta la temperatura del material. Así, la rotación dipolar es un mecanismo mediante el cual la energía en forma de radiación electromagnética puede elevar la temperatura de un objeto. Existen también muchos otros mecanismos mediante los cuales se produce esta conversión. ^{[ 3 ]}

La rotación dipolar es el mecanismo conocido como calentamiento dieléctrico, y se observa con mayor frecuencia en el horno microondas, donde actúa con mayor eficacia sobre el agua líquida y, en menor medida, sobre grasas y azúcares . Esto se debe a que las moléculas de grasas y azúcares son mucho menos polares que las de agua y, por lo tanto, se ven menos afectadas por las fuerzas generadas por los campos electromagnéticos alternos. Fuera del ámbito culinario, este efecto puede utilizarse para calentar sólidos, líquidos o gases, siempre que contengan dipolos eléctricos.

El calentamiento dieléctrico implica el calentamiento de materiales aislantes eléctricos por pérdida dieléctrica . Un campo eléctrico variable a través del material provoca la disipación de energía a medida que las moléculas intentan alinearse con dicho campo. Este campo eléctrico variable puede ser causado por una onda electromagnética que se propaga en el espacio libre (como en un horno microondas) o por un campo eléctrico que alterna rápidamente dentro de un condensador. En este último caso, no existe una onda electromagnética que se propague libremente, y el campo eléctrico variable puede considerarse análogo al componente eléctrico del campo cercano de una antena . En este caso, aunque el calentamiento se logra mediante la variación del campo eléctrico dentro de la cavidad capacitiva a frecuencias de radiofrecuencia (RF), no se generan ni absorben ondas de radio reales . En este sentido, el efecto es el análogo eléctrico directo del calentamiento por inducción magnética , que también es un efecto de campo cercano (por lo tanto, no involucra ondas de radio). ^{[ 4 ]}

Como se mencionó anteriormente, el calentamiento dieléctrico práctico funciona en dos rangos: HF/VHF, más comúnmente en el rango de y microondas.

El extremo inferior de HF ( 3-15 MHz  ) muestra un efecto de calentamiento especial en líquidos conductores. Esto se debe a un mecanismo adicional causado por el arrastre iónico , donde los iones cargados son lentamente "arrastrados" de un lado a otro en el líquido bajo la influencia del campo eléctrico, chocando con las moléculas del líquido en el proceso y transfiriéndoles energía cinética, que finalmente se traduce en vibraciones moleculares y, por lo tanto, en energía térmica. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Las frecuencias más altas varían demasiado rápido para que este efecto sea significativo.

El uso de campos eléctricos de alta frecuencia para calentar materiales dieléctricos se propuso en la década de 1930. Por ejemplo, la patente estadounidense 2.147.689 (solicitud de Bell Telephone Laboratories, con fecha de 1937) establece:

" Esta invención se refiere a sistemas de calentamiento para materiales dieléctricos, cuyo objetivo es calentar dichos materiales de forma uniforme y prácticamente simultánea en toda su masa. Por lo tanto, se propone calentar estos materiales simultáneamente en toda su masa mediante la pérdida dieléctrica que se produce en ellos al ser sometidos a un campo de alta tensión y alta frecuencia. "

Esta patente proponía el calentamiento por radiofrecuencia (RF) a una frecuencia de 10 a 20 megahercios (longitud de onda de 15 a 30 metros). ^{[ 14 ]} Dichas longitudes de onda eran mucho mayores que la cavidad utilizada y, por lo tanto, aprovechaban los efectos de campo cercano y no las ondas electromagnéticas. (Los hornos microondas comerciales utilizan longitudes de onda que representan solo el 1 % de esa longitud).

El calentamiento por microondas utiliza una frecuencia más alta, lo que permite que una onda electromagnética se emita desde un emisor de pequeñas dimensiones y se guíe a través del espacio hasta el objetivo. Los hornos microondas modernos utilizan ondas electromagnéticas con campos eléctricos de frecuencia mucho mayor y longitud de onda más corta que los calentadores de radiofrecuencia. Esto proporciona un calentamiento dieléctrico altamente eficiente, pero con menor penetración. La profundidad de penetración limitada puede restringir el uso de procesos de microondas a gran escala. Los reactores de flujo de microondas pueden superar esta limitación para algunas aplicaciones. ^{[ 15 ]} Los hornos microondas domésticos típicos funcionan a 2,45 GHz , pero también existen hornos de 915 MHz . ^{[ 16 ]}  

Si bien se puede utilizar un conjunto de placas tipo capacitor en frecuencias de microondas, no son necesarias, ya que las microondas ya están presentes como radiación electromagnética de campo lejano , y su absorción no requiere la misma proximidad a una pequeña antena que el calentamiento por radiofrecuencia. Por lo tanto, el material a calentar (un no metal) puede simplemente colocarse en la trayectoria de las ondas, y el calentamiento se produce mediante un proceso sin contacto que no requiere placas conductoras capacitivas.

En agricultura, el calentamiento dieléctrico por radiofrecuencia (RF) se ha probado ampliamente y se utiliza cada vez más para eliminar plagas en ciertos cultivos alimentarios después de la cosecha, como las nueces con cáscara. Debido a que el calentamiento por RF calienta los alimentos de manera más uniforme que el calentamiento por microondas, se presenta como una forma prometedora de procesar alimentos rápidamente. ^{[ 1 ]}

En medicina, el calentamiento por radiofrecuencia de los tejidos corporales, llamado diatermia , se utiliza para la terapia muscular ^{[ 19 ].} El calentamiento a temperaturas más altas, llamado terapia de hipertermia , se utiliza para destruir el cáncer y el tejido tumoral.

El calentamiento por radiofrecuencia se utiliza en la industria maderera para curar los adhesivos empleados en la fabricación de contrachapado , el ensamblaje dentado y la construcción de muebles. El calentamiento por radiofrecuencia también puede utilizarse para acelerar el secado de la madera, las fibras textiles y los materiales aislantes. ^{[ 20 ]}

El calentamiento por microondas también se ha probado en el campo de la conservación del patrimonio cultural, específicamente para eliminar hongos negros dañinos de monumentos de piedra. Un estudio de 2013 realizado por Cuzman et al. demostró que la radiación de microondas dirigida a 2,45  GHz, aplicada a 65  °C durante tres minutos, fue capaz de eliminar colonias de hongos (incluyendo Sarcinomyces sp., Pithomyces sp. y Scolecobasidium sp.) encontradas en artefactos históricos de mármol, como réplicas de la estatua del David de Miguel Ángel y muestras de la cueva de Lascaux. El tratamiento fue eficaz para destruir los hongos sin causar daños térmicos o químicos significativos a la superficie de la piedra, ofreciendo una alternativa no invasiva y libre de químicos para el trabajo de conservación. ^{[ 21 ]}

En el secado de alimentos, el calentamiento dieléctrico se suele combinar con el calentamiento convencional. Puede utilizarse para precalentar el alimento en un secador de aire caliente. Al elevar rápidamente la temperatura del alimento y hacer que la humedad se mueva a la superficie, puede disminuir el tiempo total de secado. El calentamiento dieléctrico puede aplicarse a mitad del ciclo de secado, cuando el alimento entra en el período de velocidad decreciente. Esto puede aumentar la velocidad de secado. Si el calentamiento dieléctrico se aplica cerca del final del secado con aire caliente, también puede acortar significativamente el tiempo de secado y, por lo tanto, aumentar el rendimiento del secador. Es más común utilizar el calentamiento dieléctrico en las últimas etapas del secado. Una de las principales aplicaciones del calentamiento por radiofrecuencia (RF) es en el posthorneado de galletas. El objetivo al hornear galletas es producir un producto con el tamaño, la forma, el color y el contenido de humedad adecuados. En un horno convencional, reducir el contenido de humedad al nivel deseado puede ocupar una gran parte del tiempo total de horneado. La aplicación del calentamiento por RF puede acortar el tiempo de horneado. El horno está configurado para producir galletas del tamaño, la forma y el color adecuados, pero el calentamiento por radiofrecuencia se utiliza para eliminar la humedad restante sin sobrecalentar las partes ya secas de la galleta. ^{[ 22 ]} La capacidad de un horno puede incrementarse en más del 50 % mediante el uso de calentamiento por radiofrecuencia. El posthorneado con calentamiento por radiofrecuencia también se ha aplicado a cereales para el desayuno y alimentos infantiles a base de cereales. ^{[ 23 ]}

La calidad de los alimentos se maximiza y se conserva mejor utilizando energía electromagnética que el calentamiento convencional. El calentamiento convencional produce una gran disparidad de temperatura y tiempos de procesamiento más prolongados, lo que puede causar un procesamiento excesivo en la superficie de los alimentos y un deterioro de la calidad general del producto. ^{[ 24 ]} La energía electromagnética permite alcanzar temperaturas de procesamiento más altas en tiempos más cortos, por lo que se conservan más propiedades nutricionales y sensoriales. ^{[ 25 ]}