Estado de agregación da materia

En física, un estado de agregación da materia é cada unha das diferentes formas en que a materia pode existir. Hai catro estados observables da materia na vida cotiá: sólido, líquido, gas e plasma. Sábese que existen moitos estados intermedios, como o cristal líquido, e algún deses estados estados só existen baixo condicións extremas, como o condensado de Bose-Einstein.

Este diagrama mostra a nomenclatura das diferentes transicións de fase.

Os catro estados da materia comúns. No sentido das agullas do reloxo: sólido (unha escultura de xeo), líquido (unha gota de auga), plasma (arco eléctrico dun transformador Tesla) e gas (aire arredor das nubes).

Historicamente, a distinción está feita en base ás diferenzas cualitativas nas propiedades. A materia en estado sólido mantén un volume e unha forma fixa. No estado líquido manteñen un mesmo volume, mais a forma varía para adaptarse ao recipiente; as partículas mantéñense próximas, mais móvense libremente. A materia en estado gasoso ten volume e forma variable, adaptándose ao recipiente. A materia en estado de plasma ten volume e forma variable e contén átomos neutrais ademais dun número significativo de ións e electróns, ambos movéndose libremente.

O vocábulo fase emprégase ás veces como sinónimo de estado da materia, mais un sistema pode conter varias fases inmiscibles do mesmo estado da materia.

Os catro estados

Todos os estados de agregación posúen propiedades e características diferentes; os máis coñecidos e observables de xeito cotián son catro, chamados fases sólida, líquida, gasosa e plasmática.

Sólido

Un sólido cristalino: resolución atómica do titanato de estroncio. Os átomos brillantes son Sr e os escuros son Ti.

Artigo principal: Sólido.

Neste estado, as partículas están todas moi pegadas as unhas ás outras. As forzas entre elas son fortes, polo que non se poden mover libremente, aínda que si poden vibrar. Como resultado, un sólido ten unha forma estable e definida, así coma un volume invariable; a súa forma só podería variar en caso dunha rotura ou corte producido por unha forza allea. Os sólidos, ao atinxiren o seu punto de fusión, pódense transformar en líquidos por medio da fusión, e estes últimos en sólidos a través da conxelación.

Líquido

Estrutura dun líquido clásico.

Artigo principal: Líquido.

Nos líquidos, as partículas atópanse máis separadas ca nos sólidos, deixándoas máis libres e formando unha estrutura móbil, e permitindo que a súa forma de adapte ao recipiente onde están contidas. Ademais, o volume dos líquidos só é invariable cando a temperatura e mais a presión son constantes. Cando se quenta un sólido por riba do seu punto de ebulición, este convértese en líquido. A temperatura máxima ata a que un líquido pode existir é a súa temperatura crítica.

Gasoso

O espazo entre as moléculas de gas é moi grande.

Artigo principal: Gas.

Ao falarmos de gases, cómpre salientar que estes teñen enerxía cinética, o que fai que o efecto das forzas intermoleculares sexa pequeno (ou mesmo cero para un gas ideal), dado que as moléculas están lonxe unhas das outras. Os gases non posúen nin forma nin volume fixo, amoldándose e ocupando todo o espazo do que dispoñen segundo o contedor no que estean confinados. Un líquido pasa a gas ao se quentar a presión constante ata o seu punto de ebulición, ou ben mediante a redución da presión a temperatura constante.

Plasma

No plasma, os electróns son apartados dos seus núcleos e forman un "mar de electróns".

Artigo principal: Plasma (estado da materia).

O plasma é un gas ionizado, é dicir, que os átomos que o compoñen se separaron dalgúns dos seus electróns. Deste xeito, o plasma é un estado semellante ao gas, mais composto por anións e catións (ions con carga negativa e positiva, respectivamente), separados entre si e libres, e que por iso é un excelente condutor. Un exemplo moi claro é o Sol.

Na atmosfera terrestre baixa, calquera átomo que perde un electrón (cando o alcanza unha partícula cósmica rápida) dise que está ionizado, mais a temperaturas altas é moi diferente. Canto máis quente está o gas, as súas moléculas e átomos móvense máis rápido (lei dos gases ideais) e a temperaturas moi altas as colisións entre estes átomos son suficientemente violentas para liberar os electróns. Na atmosfera solar, unha gran parte dos átomos están ionizados permanentemente por estas colisións e o gas compórtase coma un plasma.

A diferenza dos gases fríos (por exemplo, o aire a temperatura ambiente), os plasmas conducen a electricidade e están fortemente influídos polos campos magnéticos. A lámpada fluorescente, contén plasma (o seu compoñente principal é o vapor de mercurio) que quenta e axita a electricidade, mediante a liña de forza á que está conectada.

Outros estados da materia

Condensado de Bose-Einstein

Artigo principal: Condensado de Bose-Einstein.

Esta nva forma da materia foi obtida o 5 de xullo de 1995, polos físicos Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle e Carl E. Wieman, polo que foron galardoados en 2001 co Premio Nobel de Física. Os científicos lograron arrefriar os átomos a unha temperatura 300 veces menor do que se lograra anteriormete. Chamouse "BEC, Bose-Einstein condensate" e é tan frío e denso que aseguran que os átomos poden quedar inmóbiles. Este estado foi predito por Satyendra Nath Bose e Albert Einstein en 1926.

Condensado de Fermi

O condensado fermiónico foi creado na universidade de Colorado en 1999, describindo o estado dos electrones nun supercondutor. O primeiro formado por átomos foi conseguido en 2003 por Deborah S. Jin. O condensado fermiónico, considerado como o sexto estado da materia, é unha fase superfluída formada por partículas fermiónicas a temperaturas baixas. Está moi relacionado co condensado de Bose-Einstein, mais a diferenza deste, fórmase empregando fermións no canto de bosóns.

É un estado de agregación no que a materia adquire superfluidez. Créase a temperaturas moi baixas, extremadamente próximas ao cero absoluto.

Un condensado quiral é un exemplo dun condensado fermiónico que aparece nas teorías dos fermións sen masa con rotura da simetría quiral.

Supersólido

O supersólido é un sólido no sentido de que a totalidade dos átomos de helio-(4) que o compoñen están conxelados nunha película cristalina ríxida, de xeito semellante a como o están os átomos e as moléculas nun sólido normal como o helio. A diferenza é que neste caso "conxelado" non significa "estacionario". Como a película de helio-4 é tan fría (apenas unha décima de grao sobre o cero absoluto), comezan a imperar as leis de incerteza cuántica. En efecto, os átomos de helio comezan a comportarse como se fosen sólidos e fluídos á vez. En circunstancias axeitadas, unha fracción dos átomos de helio comeza a moverse a través da película como unha substancia coñecida como superfluído, un líquido que se move sen ningunha fricción.

Outros posibles estados da materia

Existen outros posibles estados da materia; algúns só existen baixo condicións extremas, como no interior de estrelas mortas ou no comezo do universo despois do big-bang:

• Superfluído
• Materia dexenerada
• Materia fortemente simétrica
• Materia debilmente simétrica
• Materia estraña ou materia de quarks
• Superfluído polaritón
• Materia fotónica
• Líquido de spin cuántico

Cambios de estado

Diagrama que ilustra as transicións entre os catro estados da materia fundamentais.

Para cada elemento ou composto químico existen determinadas condicións de presión e temperatura ás que se producen os cambios de estado, debendo interpretarse, cando se fai referencia unicamente á temperatura de cambio de estado, a que esta se refire á presión atmosférica. Deste xeito, en "condicións normais" (presión atmosférica, 0 °C) hai compostos tanto en estado sólido como líquido e gasoso (S, L e G).

Os procesos nos que unha substancia cambia de estado son: a sublimación (S-G), a evaporación (L-G), a condensación (G-L), a solidificación (L-S), a fusión (S-L), e a sublimación inversa (G-S).

Véxase tamén

Outros artigos

• Lista de fases da materia.

Ligazóns externas

• 2005-06-22, MIT News: MIT physicists create new form of matter Citat: "... They have become the first to create a new type of matter, a gas of atoms that shows high-temperature superfluidity."
• 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
• 2004-01-15, ScienceDaily: Probable Discovery Of A New, Supersolid, Phase Of Matter Citat: "...We apparently have observed, for the first time, a solid material with the characteristics of a superfluid...but because all its particles are in the identical quantum state, it remains a solid even though its component particles are continually flowing..."
• 2004-01-29, ScienceDaily: NIST/University Of Colorado Scientists Create New Form Of Matter: A Fermionic Condensate
• Short videos demonstrating of States of Matter, solids, liquids and gases by Prof. J M Murrell, University of Sussex