고전 역학 이론 중에 law of equipartition이라는 법칙이 있습니다.
이 법칙을 쉽게 한 분자 시스템에 대해서 적용시킨다면,
분자의 열역학적 에너지는
1. 온도 = 병진 운동 에너지 (translational energy)
2. 회전 운동 에너지 (rotational energy)
3. 진동 운동 에너지(vibrational energy)
의 세 가지 형태로 고르게 분산이 된다는 법칙입니다. 분자에 따라서 각각 운동에 대해서 자유도의 차이가 있긴 하지만 이는 생략하도록 하겠습니다.
이 법칙이 시사하는 바가 무엇이냐면, 물의 온도를 어떠한 방식으로 올리건 상관이 없다는 것입니다.
전자레인지를 사용해서 물을 가열하는 것은, 2.의 회전 운동 에너지를 증가시키는 방식입니다.
전자레인지에서 나오는 전자파는 물 분자들의 회전 운동을 빠르게 하는 효과가 있지요. Rotational excitation을 시킨다고 표현하기도 합니다.
이 증가된 회전 운동 에너지는 위에서 언급한 법칙에 따라 아주 조금의 시간이 흐르면 1.의 병진 운동 에너지, 2.의 회전 운동 에너지, 그리고 3.의 진동 운동 에너지로 고르게 나누어 집니다. 이 과정에서 온도가 올라가게 되지요.
보통 우리가 사용하는 가스레인지를 사용한 가열은, 분자 간의 충돌을 이용한 가열이라고 보시면 될 것 같습니다.
기체의 연소 과정에서 생성되는 고 에너지 기체 분자들이 충돌을 통해서 물을 담고 있는 용기를 가열하고, 이 용기를 구성하고 있는 분자들의 진동 에너지가 증가합니다.
그리고 이 용기를 구성하고 있는 분자들과 안에 담겨 있는 물 분자들 사이의 충돌로 에너지가 전달 되겠네요.
이 경우 1, 2, 3의 에너지 모두 충돌로 인해서 증가할 수 있으나, 주로 1.의 병진운동 에너지, 그리고 3.의 진동 운동 에너지 형태로 물 분자에 에너지가 전달이 됩니다. 하지만 이 경우에도 어떠한 형태로 에너지가 전달되었으냐와는 관계 없이, 증가된 병진 운동 에너지와 진동 운동 에너지는 아주 조금의 시간이 흐르면 1, 2, 그리고 3의 형태로 동일하게 분산이 됩니다.
결론으로, 물의 온도를 전자기파 (전자레인지를 쓰건 IR을 쓰건)를 사용해서 올리건, 분자 간의 충돌로 올리건 (용기 안에 있는 물의 가열) 아주 조금의 시간이 흐르면 완벽하게 동일한 상태의 물이 된다 이것이지요.
이 아주 조금의 시간은 길게 잡아도 수 밀리초 (10^-3~10^-2 초 정도) 정도입니다.
전자 레인지를 이용한 물의 가열이 몸에 해로우려면, rotational excitation된 물 분자가 서로 충돌하여 몸에 유해한 새로운 species를 형성하는 수 밖에 없습니다. 하지만 물 분자들 끼리 아무리 들뜸 시키고 충돌 시켜도 유해한 분자가 생성되기는 힘들어 보이네요.
