Transferul de căldură la schimbarea de fază în operația de fierbere

I. Căldura

Noţiuni introductive

În fizică, cantitatea de căldură, simbolizată prin Q, este energia transferată între un sistem termodinamic şi mediul înconjurător, între două sisteme termodinamice sau între diferite părţi ale aceluiaşi sistem termodinamic, în cursul unei transformări termodinamice în care parametrii externi rămân constanţi. Transferul de căldură are loc sub influenţa unei diferenţe de temperatură. Principiul al doilea al termodinamicii sugerează că acest transfer se face de la sine doar de la temperatura mai înaltă la temperatura mai joasă.

Scurt istoric

Istoricul căldurii se pierde în negura vremurilor. O mare realizare a omului preistoric a fost utilizarea focului. Pentru explicarea fenomenelor termice în antichitate s-au dat explicaţii mitologice. Concepţia despre natura căldurii a evoluat de la concepţiile mistice din antichitate până la teoria moleculară de astăzi.

În secolul al XVII-lea s-a încercat explicarea arderii. În 1667, Johann Joachim Becher în cartea sa ”Physica Subterranea” a făcut prima menţiune asupra a ceea ce va deveni teoria flogistonului. Flogistonul era o substanţă fără culoare, miros, gust şi masă, şi care este eliberată în timpul arderii, reziduul fiind „forma adevărată” a substanţei.

În 1738, Daniel Bernoulli în lucrarea ”Hydrodynamica” propune ideea că gazele sunt formate dintr-un mare număr de particule în mişcare în toate direcţiile. Această idee va duce la teoria cinetică a gazelor.

În 1761, Joseph Black descoperă că în timpul topirii gheaţa absoarbe căldură fără a-şi schimba temperatura. El consideră că, căldura se combină cu particulele de gheaţă, devenind căldură latentă.

În 1770, Lavoisier explică arderea ca o combinare cu oxigenul. În lucrarea sa ”Réflexions sur le phlogistique” (1783), Lavoisier arată că teoria flogistonului nu este consistentă cu experienţele şi propune înlocuirea flogistonului cu un alt fluid, caloricul. Conform acestei teorii, cantitatea de caloric este constantă în univers şi el trece de la corpurile mai calde la cele mai reci.

În 1780 se credea că frigul este dat de frigoric, un fluid similar caloricului. ”Pierre Prévost” afirmă că frigul este urmarea lipsei de caloric.

Totuşi, teoria caloricului a continuat să fie folosită. În 1824 Sadi Carnot în cartea sa ”Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu” s-a bazat pe ea în studiile sale privind ciclul Carnot. Din întâmplare (sau din fericire), concluziile sale n-au fost afectate de teoria caloricului.

Experienţele lui Joule (1842) şi, independent, Mayer (1843) au arătat că din lucrul mecanic se poate produce căldură şi invers. Asta duce în 1847 la afirmarea de către Helmholtz a principiului conservării energiei în loc de conservarea căldurii.

În 1860, Clausius arată că teoria cinetică a gazelor poate fi o explicaţie a căldurii, energia internă a unei substanţe fiind asociată cu energia cinetică a moleculelor. Molecule cu energie cinetică mai mare corespund unei energii interne (deci unei temperaturi) mai mari, teorie acceptată şi în zilele noastre.

În 1871 James Clerk Maxwell, în cartea sa ”Theory of Heat” dă definiţia modernă a căldurii, ca fiind energie în tranzit.