La frase cinco estados de la materia es un término para describir todo lo que constituye la «materia» en el universo: todo lo que ocupa espacio y tiene masa es materia. Pero esa frase en realidad está desactualizada, ya que hay muchos más estados de la materia que ese. Cuatro de estos ocurren naturalmente, mientras que otros solo se producen fugazmente en el laboratorio, bajo condiciones extremas.
Toda la materia está formada por átomosque a su vez están formados por protones, neutrones y electrones.
Los átomos se unen para formar moléculas, que son los componentes básicos de todo tipo de materia, según Universidad Estatal de Washington (se abre en una pestaña nueva). Tanto los átomos como las moléculas se mantienen unidos por una forma de energía potencial llamada energía química (se abre en una pestaña nueva)según la Administración de Información Energética de EE.UU.
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Los cuatro estados naturales de la materia son: Sólidos, líquidos, gases y plasma. Sin embargo, los condensados de Bose-Einstein solo se fabrican en el laboratorio. También se pueden fabricar otros estados exóticos de la materia en condiciones extremas en un laboratorio, como condensados fermiónicos y cristales de tiempo. Incluso hay un tipo extraño de materia, conocido como estado fundido en cadena, que existe de manera estable como sólido y líquido a la vez.
Sólidos, líquidos y gas
en un sólido, las partículas están muy juntas para que no se muevan mucho. Los electrones de cada átomo están en constante movimiento, por lo que los átomos tienen una pequeña vibración, pero están fijos en su posición. Debido a esto, las partículas de un sólido tienen una energía cinética muy baja.
Los sólidos tienen una forma definida, así como masa y volumen, y no se ajustan a la forma del recipiente en el que se colocan. Los sólidos también tienen una alta densidad, lo que significa que las partículas están muy juntas.
En un líquido, las partículas están más sueltas que en un sólido y pueden fluir unas alrededor de otras, dando al líquido una forma indefinida. Por lo tanto, el líquido se adaptará a la forma de su recipiente.
Al igual que los sólidos, los líquidos (la mayoría de los cuales tienen una densidad más baja que los sólidos) son increíblemente difíciles de comprimir.
En un gas, las partículas tienen mucho espacio entre ellas y tienen una alta energía cinética. Un gas no tiene forma ni volumen definidos. Si no están confinadas, las partículas de un gas se esparcirán indefinidamente; si está confinado, el gas se expandirá para llenar su contenedor. Cuando un gas se pone bajo presión al reducir el volumen del recipiente, el espacio entre las partículas se reduce y el gas se comprime, según el Centro de Investigación Glenn de la NASA.
Plasma
Plasma no es un estado común de la materia aquí en la Tierra, pero puede ser el estado más común de la materia en el universo, según el Laboratorio Jefferson (se abre en una pestaña nueva). Las estrellas como el sol son esencialmente bolas de plasma sobrecalentadas.
El plasma consiste en partículas altamente cargadas con una energía cinética extremadamente alta. los Gases nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) se utilizan a menudo para hacer señales luminosas mediante el uso de electricidad para ionizarlas hasta el estado de plasma.
Condensado de Bose-Einstein
Un BEC fue creado por primera vez por científicos en 1995. Usando una combinación de láseres y imanesEric Cornell y Carl Weiman, científicos del Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JILA) en Boulder, Colorado, enfriaron una muestra de rubidio a unos pocos grados del cero absoluto. A esta temperatura extremadamente baja, el movimiento molecular está muy cerca de detenerse. Dado que casi no se transfiere energía cinética de un átomo a otro, los átomos comienzan a agruparse. Ya no hay miles de átomos separados, solo un «súper átomo».
Los BEC se utilizan para estudiar la mecánica cuántica a nivel macroscópico. La luz parece disminuir su velocidad a medida que pasa a través de un BEC, lo que permite a los científicos estudiar la paradoja partícula/onda. Un BEC también tiene muchas de las propiedades de un superfluidoo un fluido que fluye sin fricción. Los BEC también se utilizan para simular condiciones que podrían existir en los agujeros negros.
Nuevos estados de la materia
Muchos otros estados de la materia se han creado bajo condiciones extremas o exóticas. Por ejemplo, en enero de 2021, una investigación publicada en la revista PNAS reveló que durante la transformación entre el estado líquido y sólido, el vidrio se convierte en un nuevo estado de la materia denominado vidrio líquido.
A nivel microscópico, el vidrio líquido se encuentra entre un sólido y una sustancia similar a un gel llamada coloide, una mezcla de partículas que son más grandes que un solo átomo o molécula. Cuando una sustancia se transforma de líquido a sólido, las moléculas se organizan en una estructura cristalina; en el caso del vidrio, esto no sucede y las partículas se congelan en su lugar antes de que se produzca la cristalización. Las partículas en el vidrio líquido, sin embargo, son más flexibles que el vidrio sólido, pero no pueden girar, según los investigadores.
«Nuestros experimentos proporcionan el tipo de evidencia de la interacción entre las fluctuaciones críticas y la detención vítrea que la comunidad científica ha estado buscando durante bastante tiempo», dijo Matthias Fuchs, autor principal del estudio y profesor de Teoría de la Materia Condensada Blanda en la Universidad de Konstanz. dijo en un declaración (se abre en una pestaña nueva).
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Los cristales de tiempo son una forma de materia que se propuso por primera vez en 2012 (se abre en una pestaña nueva) por el físico ganador del premio Nobel Frank Wilczek. Los cristales de tiempo se fabrican en el laboratorio y tienen la capacidad de alternar entre dos estados de energía sin perder energía. Debido a que no alcanzan el equilibrio o un estado estacionario, son capaces de esquivar la segunda ley de la termodinámica, que establece que el desorden, o la entropía, de un sistema cerrado, siempre aumenta.
Los cristales de tiempo se crearon en un laboratorio en 2017 y en 2021, Google anunció que había fabricado un cristal de tiempo en una computadora cuántica y que el cristal había durado 100 segundos antes de que el estado efímero se desintegrara.
Los condensados fermiónicos son otro tipo de materia fabricada en laboratorio. Una fase hermana del BEC, Los condensados fermiónicos se crearon por primera vez en 2004. (se abre en una pestaña nueva), según la NASA. Los condensados fermiónicos son superfluidos, lo que significa que pueden fluir sin viscosidad. A diferencia de los BEC, están formados por fermiones, un tipo de materia que incluye protones, neutrones y electrones con números atómicos impares. A los fermiones normalmente les gusta estar solos, pero para crear esta fase de materia, los científicos tienen que persuadirlos para que se apareen.
Para ello, los científicos hacen el asunto muy, muy frío. En el primer experimento para demostrar esta fase extraña, descrito en un estudio de 2003 en la revista Cartas de revisión física (se abre en una pestaña nueva), los científicos de JILA en Boulder, Colorado, enfriaron una nube de medio millón de átomos de potasio-40 a menos de una millonésima de grado por encima del cero absoluto y luego les aplicaron un campo magnético. Esto obligó a los átomos de potasio a emparejarse, creando un estado similar a la superconductividad que se produce en los pares de electrones.
Cómo cambian los estados de la materia
Agregar o quitar energía de la materia provoca un cambio físico a medida que la materia pasa de un estado a otro. Por ejemplo, agregar energía térmica (calor) al agua líquida hace que se convierta en vapor o vapor (un gas). Y quitarle energía al agua líquida hace que se convierta en hielo (un sólido). Los cambios físicos también pueden ser causados por el movimiento y la presión, según el Ciencias abreviadas para estudiantes de secundaria (se abre en una pestaña nueva) por H. Messel.
Derretir y congelar
Cuando se aplica calor a un sólido, sus partículas comienzan a vibrar más rápido y se separan más. Cuando la sustancia alcanza cierta combinación de temperatura y presión, su punto de fusionel sólido comenzará a derretirse y convertirse en líquido.
Cuando dos estados de la materia, como sólido y líquido, se encuentran en la temperatura y presión de equilibrio, el calor adicional agregado al sistema no hará que la temperatura general de la sustancia aumente hasta que toda la muestra alcance el mismo estado físico, de acuerdo con Enciclopedia Britannica (se abre en una pestaña nueva). Por ejemplo, cuando pones hielo en un vaso de agua y lo dejas a temperatura ambiente, el hielo y el agua finalmente alcanzarán la misma temperatura. A medida que el hielo se derrite por el calor proveniente del agua, permanecerá a 32 grados Fahrenheit (0 grados Celsius) hasta que todo el cubo de hielo se derrita antes de continuar calentándose.
Cuando se elimina el calor de un líquido, sus partículas se ralentizan y comienzan a asentarse en un lugar dentro de la sustancia. Cuando la sustancia alcanza una temperatura lo suficientemente fría a cierta presión, el punto de congelación, el líquido se vuelve sólido.
Sublimación
Cuando un sólido se convierte directamente en gas sin pasar por una fase líquida, el proceso se conoce como sublimación. Esto puede ocurrir cuando la temperatura de la muestra aumenta rápidamente más allá del punto de ebullición (vaporización instantánea) o cuando una sustancia se «liofiliza» enfriándola en condiciones de vacío para que el agua en la sustancia sufra sublimación y se elimine de la misma. la muestra, de acuerdo con la Servicio Geológico de EE. UU. (se abre en una pestaña nueva). Algunas sustancias volátiles se sublimarán a temperatura y presión ambiente, como los carbón dióxido, o hielo seco.
Vaporización
La vaporización es la conversión de un líquido a un gas y puede ocurrir a través de evaporación o ebullición (se abre en una pestaña nueva)según la Enciclopedia Británica.
Debido a que las partículas de un líquido están en constante movimiento, con frecuencia chocan entre sí. Cada colisión también provoca la transferencia de energía, y cuando se transfiere suficiente energía a las partículas cerca de la superficie, pueden ser expulsadas por completo de la muestra como partículas de gas libre. Los líquidos se enfrían a medida que se evaporan porque la energía transferida a las moléculas de la superficie, lo que hace que escapen, se la llevan.
El líquido hierve cuando se le agrega suficiente calor para que se formen burbujas de vapor debajo de la superficie. Este punto de ebullición es la temperatura y la presión a la que un líquido se convierte en gas.
Condensación y deposición
La condensación ocurre cuando un gas pierde energía y se une para formar un líquido, según el Servicio Geológico de EE. UU. Por ejemplo, el vapor de agua se condensa en agua líquida, conocida como su punto de rocío.
La deposición se produce cuando un gas se transforma directamente en sólido, sin pasar por la fase líquida. El vapor de agua se convierte en hielo o escarcha cuando el aire que toca un sólido, como una brizna de hierba, está más frío que el resto del aire.
Recursos adicionales
Este artículo fue actualizado el 20 de octubre de 2022 por Tia Ghose.
