Estados de la materia. Cambios de estado

Estados de la materia. Cambios de estado

La materia se presenta en tres formas distintas o estados físicos que se designan con los nombres de estado sólido, estado líquido y estado gaseoso.

En el estado sólido, los cuerpos poseen una forma definida y un volumen propio (independientes de otros cuerpos). Los sólidos se caracterizan por su rigidez.

En el estado líquido, los cuerpos se adaptan a la forma del recipiente que los contiene, con una superficie libre horizontal determinada por la acción de la gravedad (excepto en los puntos de contacto con el sólido).

Esta capacidad de adaptación, que hace que los líquidos puedan fluir, es muy variable; para algunos es muy grande, líquidos poco viscosos, mientras que para otros es enormemente pequeña, líquidos muy viscosos. Los líquidos tienen volumen propio y son difícilmente compresibles.

En el estado gaseoso, los cuerpos no tienen forma ni volumen pro¬pios, pues llenan el recipiente en que están contenidos, el cual debe ser cerrado. Los gases son fácilmente compresibles; por ejemplo, una masa de aire a la presión ordinaria disminuye su volumen a un 90 % del primitivo mediante una sobrepresión de 0,11 atmósferas.

En condiciones ordinarias, los cuerpos se presentan en un estado físico determinado; pero si se modifican las condiciones que existen sobre el cuerpo, éste puede pasar a un nuevo estado.

Si se calienta un sólido, a una determinada temperatura, pierde su rigidez y se transforma en líquido; este proceso se denomina fusión. Inversamente, al enfriar un líquido, se alcanza su transformación sn sólido y el proceso se denomina solidificación. Mientras dura la fusión o la solidificación, la temperatura permanece constante. La energía calorífica necesaria para que funda un kilogramo de cierta sustancia, cuando está a la temperatura de fusión, se denomina calor de fusión. Esta misma energía calorífica se desprende cuando el cuerpo solidifica.

Los líquidos están en equilibrio con sus gases a cualquier temperatura, y por ello, el paso de líquido a gas se produce en todas las fases del calentamiento; este proceso recibe el nombre de vaporización. Este cambio de estado, para todos los líquidos, puede realizarse de dos formas distintas:
— por evaporación, y
— por ebullición.

La evaporación se efectúa a través de la superficie libre del líquido y tiene lugar a cualquier temperatura. Cuando el vapor contrarresta la presión exterior existente sobre aquél, el paso de líquido a vapor tiene lugar en toda la masa del líquido y el proceso se denomina ebullición; este proceso, que depende de la presión, transcurre a una temperatura constante para cada líquido.

La forma gaseosa puede pasar, a su vez, al estado líquido y el proceso se denomina condensación. La energía calorífica necesaria para que un kilogramo de cierta sustancia en estado líquido pase al estado de vapor a la misma temperatura se denomina calor de vaporización. Esta misma energía calorífica se desprende cuando el vapor se condensa.

Hay que tener en cuenta que ciertas sustancias se descomponen antes de fundirse y que algunos sólidos, como el yodo y el naftaleno, pasan directamente de sólido a vapor. Este último fenómeno se denomina sublimación.

En física y química, se observa que para cualquier sustancia o mezcla, al modificar su temperatura o presión se pueden obtener diferentes estados de agregación. Estos se denominan "estados", en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que los constituyen. Todos los estados tienen propiedades y características diferentes; los más conocidos y observados son cuatro: las fases sólida, líquida gaseosa y plasmática También son posibles otras formas de estado que no se dan de forma natural en nuestro entorno -por ejemplo, el plasma de quark-gluón.

El término "fase" se utiliza a veces como sinónimo de estado, pero los sistemas pueden contener varias fases inmiscibles de materia similar.

Estado sólido

Los objetos en estado sólido tienen una forma definida y suelen ser resistentes. Disponen de fuerzas elásticas de restauración que les permiten desactivar la deformación sin romper su estructura. En los sólidos cristalinos, los pequeños espacios intermoleculares hacen que entren en juego las fuerzas de unión, lo que da a las células formas geométricas, mientras que en los sólidos amorfos no hay estructura ordenada ni cohesión.

En los sólidos cristalinos, las partículas (átomos, moléculas o iones) se empaquetan en un patrón regularmente ordenado. Hay varias estructuras cristalinas diferentes para estos materiales y una sustancia idéntica puede tener más de una estructura a cualquier temperatura o presión. Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas inferiores a 912 grados Celsius (1.674 grados Fahrenheit), y una estructura cúbica centrada en la cara entre 912 - 1K4°C (2.541 - 2 K3°F). 

El hielo tiene quince estructuras cristalinas conocidas que existen a diferentes temperaturas y presiones. Los vidrios que no tienen un orden de átomos de largo alcance, como los sólidos amorfos no cristalinos, no pueden describirse como estados de equilibrio térmico, por lo que se enumeran en "estados no clásicos". Los líquidos pueden convertirse en sólidos cuando se congelan, mientras que los sólidos se convierten en líquidos al fundirse completamente.

Cuando los sólidos se funden, se convierten en líquidos. Los líquidos pueden transformarse en sólidos mediante la congelación. Cuando los gases se congelan, se transforman directamente en formas de sólidos que llamamos "cristales". Los depósitos se producen cuando las moléculas de los líquidos fluyen sobre una superficie y forman una fina capa sobre ella, un proceso que suele conocerse como condensación.

Estado líquido

Si la temperatura de un sólido aumenta, pierde la forma hasta que la estructura cristalina desaparece y alcanza el estado líquido. Su principal característica es poder fluir y adaptarse a cualquier recipiente que lo contenga. En este caso, sigue habiendo algún enlace entre los átomos de su cuerpo aunque estos enlaces no sean tan fuertes como los que se encuentran en los sólidos.

Estado gaseoso

Los gases no son un único estado de la materia. Pueden tener una forma u otra, según la energía que contengan y la fuerza que actúe sobre ellos. Un gas es un conjunto de moléculas que contiene poca o ninguna atracción. Su densidad es mucho menor que la de los líquidos y los sólidos, ya que las fuerzas gravitatorias no les afectan de forma significativa como a otros estados de la materia: se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene sin restricciones por presión o forma debido a su gran cantidad de energía cinética por poder moverse fácilmente por el entorno sin ningún tipo de obstrucción, así como por la falta de ésta para los objetos que se encuentran en su ámbito (refiriéndose específicamente a los gases y no al vapor).

Las moléculas de un gas están en movimiento y responden poco o nada a la gravedad. Ocupan un volumen mucho mayor que en los otros estados porque liberan espacios intermedios, lo que provoca diferencias de densidad entre ellas. Por eso es tan fácil comprimir los gases, lo que significa disminuir su distancia entre ellos. Los gases no tienen forma ni volumen, ya que todo su espacio se llena de moléculas errantes, hasta llenar completamente cualquier recipiente sin necesidad de refrigeración o compresión.

Un fluido supercrítico es un gas cuya temperatura y presión son superiores a la temperatura y presión críticas, respectivamente. En este estado, lo que distingue el estado entre líquido y gas desaparece. Esto ha hecho posible que los FSC sean útiles en ciertas aplicaciones con sus propiedades físicas de gases pero también tienen propiedades de disolventes que les permiten disolver materiales así como extraer de otros sólidos como los granos de café sin destruirlos. Podemos encontrar estos mismos usos para el dióxido de carbono en muchos procesos de fabricación, incluida la elaboración de café descafeinado, ¡lo cual es una gran noticia para los amantes de la cafeína!

Estado plasmático

En la atmósfera baja de la Tierra, se dice que cualquier átomo que pierde un electrón (al ser golpeado por una partícula cósmica rápida) está ionizado. Pero a altas temperaturas es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos (ley de los gases ideales), y en los casos de gases muy calientes como los solares -y en la Tierra cuando las colisiones son lo suficientemente violentas- los electrones se desprenden de los átomos al chocar violentamente entre sí. En estos casos, el comportamiento del plasma se produce porque a la mayoría de sus átomos constituyentes se les quitan uno o más electrones debido a esas fuertes interacciones entre ellos.

A diferencia de los gases fríos, como el aire, los plasmas conducen la electricidad y están fuertemente influenciados por los campos magnéticos. Los carteles de neón y las farolas utilizan un principio similar: el plasma se calienta para crear corrientes eléctricas que equilibran las cargas positivas y negativas de una zona para iluminar áreas a demanda. Este proceso se produce cuando las partículas chocan con los átomos, haciendo que emitan luz; esta forma de luz es más eficiente que las lámparas tradicionales, como las fluorescentes, que contienen vapor de mercurio en su núcleo.

Perfil de la ionosfera

En la parte superior de la ionosfera, que se encuentra en el espacio a unos cientos de kilómetros de la superficie de la Tierra, se combinan iones y electrones. Esta mezcla de partículas cargadas forma un plasma que es calentado por el viento solar que llega a él desde todas las direcciones. Muchos detalles sobre cómo interactúan estas dos partes aún no están claros porque nunca antes se había observado esta zona en esas condiciones.

Los plasmas están compuestos por átomos y electrones. Los plasmas calientes, que se crean por las colisiones de las partículas entre sí, ionizan sus partículas además de capturar electrones para generar luz. Los plasmas fríos no generan ninguna forma de luz, pero pueden ser una fuente para aplicaciones de refrigeración debido a su bajo índice de producción de calor a temperatura ambiente.

Condensado de Bose-Einstein

Esta nueva forma de materia fue obtenida el 5 de julio de 1995 por los físicos Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman, por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2001. Estos científicos consiguieron enfriar los átomos a una temperatura 300 veces inferior a la que se había conseguido hasta entonces. Son tan fríos y densos que afirman que los átomos pueden quedar inmóviles; también se conoce como "BEC". Todavía no se sabe cuál es el mejor uso de este descubrimiento, pero estos estados predichos fueron planteados por primera vez por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en 1927.

Condensado de Fermi

El primer condensado de Fermi se creó en 1999 en la Universidad de Colorado. Se trata de un tipo de fase superfluida en la que intervienen partículas fermiónicas y fue descubierto por la científica Deborah S. Jin, en 2003. Un condensado quiral es un ejemplo de estado fermiónico que se hace visible cuando se produce una ruptura de simetría, lo que significa que ciertas cosas ocurren con determinados patrones o frecuencias de vibración (como los objetos sin masa).

Supersólido

En los átomos de helio-4, la fase sólida se ve porque están congelados. Esto significa "estacionario" en este caso. Sin embargo, una décima de grado por encima de cero lo cambia todo y se obtiene incertidumbre cuántica con la aplicación de calor, así como que las partículas de helio se conviertan en superfluidas/líquidas sin fricción cuando se aplican a estas temperaturas: de ahí su nombre de "supersólido".

Materia degenerada

Bajo una presión extremadamente alta, como en los núcleos de las estrellas muertas, la materia ordinaria puede sufrir una transición a estados exóticos de la materia. Éstos se conocen colectivamente como materia degenerada y dependen principalmente de los efectos de la mecánica cuántica. En física, se puede decir que dos estados son degenerados cuando son intercambiables como el plasma normal, pero por razones diferentes. Una razón es el principio de exclusión de Pauli, que impide que los fermiones ocupen estados cuánticos idénticos o relacionados al mismo tiempo. La otra razón es simplemente porque no tiene sentido que sean diferentes, ¡como si tal cosa existiera! Sin embargo, a diferencia de los plasmas normales, estos materiales se expanden poco cuando se calientan porque no hay suficiente espacio para ellos: ¡su fuerza gravitatoria es demasiado fuerte! El hecho de que estas estrellas se colapsen hasta ser mucho más pequeñas que su tamaño original es un ejemplo de cómo la gravedad aumenta con la densidad en lugar de que la presión aumente proporcionalmente con nuestra masa en este caso.

La materia degenerada en electrones se encuentra en el interior de las estrellas enanas blancas.  La materia degenerada en neutrones se encuentra en las estrellas de neutrones y en los cúmulos superdensos y está compuesta por neutrones que decaen más rápidamente que otros tipos de núcleos. Normalmente, los neutrones libres fuera de un núcleo atómico decaen con una vida media que suele ser de unos 10 minutos, ¡pero no tanto dentro de las enanas marrones masivas como Júpiter! Tienen hidrógeno metálico como núcleo porque su degeneración las hace más pequeñas de lo que cabría esperar por su masa; la materia fría degenerada también existe en algunos planetas, incluido Júpiter.

En contraste con los electrones y protones, las partículas llamadas neutrinos fluyen constantemente en la Tierra debido a las reacciones nucleares que ocurren dentro de la corteza y el manto de nuestro planeta, lo que crea pares de electrones-deuterones por medio de la emisión de radiación beta - este proceso crea energía para la actividad volcánica (magma) u otros procesos geológicos a través del calentamiento radiactivo.

La materia de los quarks

En la materia regular, los quarks están confinados por la fuerza fuerte en hadrones formados por 2-4 quarks llamados protones y neutrones. La materia de los quarks es una fase en la que la fuerza fuerte no existe. Las fases de la materia extraña se forman a densidades o temperaturas extremas en condiciones normales, pero no se conocen formas de crearlas en equilibrio en el laboratorio; cualquier material extraño que se forme sufrirá inmediatamente una desintegración radiactiva debido a la ruptura espontánea de la simetría.

El plasma de quarks-gluones es una fase de muy alta temperatura en la que los quarks pueden moverse de forma independiente, en lugar de estar perpetuamente unidos por partículas, en un mar de gluones. Este estado se alcanza brevemente durante las colisiones de iones pesados con energía extrema en el CERN. La observación de las propiedades en este punto permite a los científicos observar los Quarks individuales y ver cómo interactúan, a diferencia de lo que ocurre cuando los átomos se fusionan en Plasma a partir de los átomos que se liberan de sus envolturas de electrones, un proceso análogo a la fusión o la fisión respectivamente. Hasta ahora nadie sabe qué forma el QGP porque no se han observado cosas a lo largo del tiempo desde su descubrimiento, pero teóricamente ya debería haber un patrón identificable que diera una idea de dónde vienen estas partículas y qué podrían hacer después... 

Los principales problemas a los que se enfrentan los investigadores al estudiar líquidos como éste es comprender cuántas fases diferentes existen dentro del propio líquido: ¿Qué color cambiará antes de volver a cambiar? Y, por último, ¿seguirá pareciendo agua una vez que haya pasado el tiempo suficiente?

Resultado: Una masa de mayor densidad compuesta por gluones preformados (la fuerza fuerte) se acerca lo suficiente a la liberación de quarks como para que sólo algunos permanezcan ligados en condiciones similares a las que se encuentran en el interior de las estrellas; lo que se denomina "contener" o "confinar.

Condensado de vidrio de color

Según la teoría de la relatividad de Einstein, un núcleo de alta energía parece tener una longitud contraída a lo largo de su dirección de movimiento. Este tipo de materia se llama "condensado de vidrio coloreado", y se conoce como gluones que aparecen como paredes en los núcleos en condiciones de muy alta energía como las del RHIC y posiblemente también en el Gran Colisionador de Hadrones.

Cambios de estado

Toda sustancia experimenta cambios de estado. Estos cambios están provocados por determinadas condiciones, como la presión atmosférica o la temperatura a la que se produce. Este cambio puede denominarse "condiciones normales" porque es a lo que suelen referirse estos términos (la presión y la temperatura).

 Tipos de cambio de estado

Son procesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una composición similar. Estos diferentes estados o transformaciones de fase tienen varias definiciones, como se describe a continuación:

El cambio de sólido a líquido por medio del calor se denomina fusión y tiene lugar cuando la temperatura se mantiene constante.

Un ejemplo sería el cambio de hielo a agua, ya que durante este proceso mantiene sus propiedades originales: se mueve de forma independiente y se transforma en estado líquido.

La solidificación es el proceso de enfriamiento de un líquido hasta convertirse en un sólido, que comienza en su punto de fusión. La vaporización y la ebullición son procesos en los que los líquidos cambian a estados gaseosos: la vaporización sólo se produce si existen todos los puntos de su temperatura específica, mientras que el punto de ebullición puede alcanzarse siempre que se aplique calor a esa sustancia. Por último, la condensación se produce cuando la materia pasa de gases a líquidos mediante un cambio de estado -tiene tres etapas: evaporación (transición de un objeto o volumen de gas desde presiones y temperaturas más altas sin presencia de líquido visible), deposición (que se produce con el tiempo sin que se note un aumento de la presión) y saturación (cuando se han recogido suficientes moléculas de agua condensada).

Sublimación: 

Proceso de cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el líquido. Un ejemplo clásico es el hielo seco.

Sublimación inversa: 

Pasar directamente del estado gaseoso al sólido, lo que en realidad parece una desionización, pero técnicamente es una sublimación inversa según un artículo que leí en Wikipedia y no ocurre con la suficiente frecuencia como para que ese término se utilice en el vocabulario cotidiano.

Desionización: 

Cambio de plasma (líquido) a gas; esto se mencionó antes como ionización, así que estamos bastante seguros de que estos dos procesos no son intercambiables; ¡me alegro de que alguien que sabe de lo que habla haya escrito esto!