En física , un estado de la materia es una de las distintas formas en que puede existir la materia . En la vida cotidiana se pueden observar cuatro estados de la materia: sólido , líquido , gaseoso y plasma . Se sabe que existen muchos estados intermedios, como el cristal líquido , y algunos estados sólo existen en condiciones extremas, como los condensados de Bose-Einstein y los condensados fermiónicos (en frío extremo), la materia degenerada por neutrones (en densidad extrema) y los quarks. plasma de gluones (a energía extremadamente alta ). Para obtener una lista de estados exóticos de la materia, consulte el artículo Lista de estados de la materia .
Históricamente, la distinción se basa en diferencias cualitativas en las propiedades. La materia en estado sólido mantiene un volumen fijo (suponiendo que no haya cambios en la temperatura o la presión del aire) y forma, con las partículas que lo componen ( átomos , moléculas o iones ) muy juntas y fijas en su lugar. La materia en estado líquido mantiene un volumen fijo (suponiendo que no haya cambios en la temperatura o la presión del aire), pero tiene una forma variable que se adapta a su recipiente. Sus partículas todavía están muy juntas pero se mueven libremente. La materia en estado gaseoso tiene volumen y forma variables, adaptándose ambos para adaptarse a su recipiente. Sus partículas no están muy juntas ni fijas en un lugar. La materia en estado de plasma tiene volumen y forma variables, y contiene átomos neutros, así como un número significativo de iones y electrones , los cuales pueden moverse libremente.
El término fase se utiliza a veces como sinónimo de estado de la materia, pero es posible que un solo compuesto forme diferentes fases que se encuentren en el mismo estado de la materia. Por ejemplo, el hielo es el estado sólido del agua, pero existen múltiples fases de hielo con diferentes estructuras cristalinas , que se forman a diferentes presiones y temperaturas.
En un sólido, las partículas constituyentes (iones, átomos o moléculas) están muy juntas. Las fuerzas entre las partículas son tan fuertes que las partículas no pueden moverse libremente sino que sólo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una forma estable y definida y un volumen definido. Los sólidos sólo pueden cambiar su forma mediante una fuerza externa, como cuando se rompen o se cortan.
En los sólidos cristalinos , las partículas (átomos, moléculas o iones) están empaquetadas en un patrón repetitivo ordenado regularmente. Existen diversas estructuras cristalinas diferentes , y una misma sustancia puede tener más de una estructura (o fase sólida). Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas inferiores a 912 °C (1674 °F) y una estructura cúbica centrada en las caras entre 912 y 1394 °C (2541 °F). El hielo tiene quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a diversas temperaturas y presiones. [1]
Los vidrios y otros sólidos amorfos no cristalinos sin orden de largo alcance no son estados fundamentales de equilibrio térmico ; por lo tanto, se describen a continuación como estados de la materia no clásicos.
Los sólidos se pueden transformar en líquidos al fundirse y los líquidos se pueden transformar en sólidos al congelarse. Los sólidos también pueden convertirse directamente en gases mediante el proceso de sublimación , y los gases también pueden convertirse directamente en sólidos mediante deposición .
Un líquido es un fluido casi incompresible que se adapta a la forma de su recipiente pero retiene un volumen (casi) constante independientemente de la presión. El volumen es definido si la temperatura y la presión son constantes. Cuando un sólido se calienta por encima de su punto de fusión , se vuelve líquido, dado que la presión es superior al punto triple de la sustancia. Las fuerzas intermoleculares (o interatómicas o interiónicas) siguen siendo importantes, pero las moléculas tienen suficiente energía para moverse entre sí y la estructura es móvil. Esto significa que la forma de un líquido no está definida sino que está determinada por su recipiente. El volumen suele ser mayor que el del sólido correspondiente, siendo la excepción más conocida el agua , H 2 O. La temperatura más alta a la que puede existir un líquido determinado es su temperatura crítica . [2]
Un gas es un fluido compresible. Un gas no sólo se adaptará a la forma de su recipiente sino que también se expandirá hasta llenarlo.
En un gas, las moléculas tienen suficiente energía cinética para que el efecto de las fuerzas intermoleculares sea pequeño (o cero para un gas ideal ), y la distancia típica entre moléculas vecinas es mucho mayor que el tamaño molecular. Un gas no tiene forma ni volumen definidos, sino que ocupa todo el recipiente en el que está confinado. Un líquido se puede convertir en gas calentándolo a presión constante hasta el punto de ebullición , o reduciendo la presión a temperatura constante.
A temperaturas inferiores a su temperatura crítica , un gas también se llama vapor y puede licuarse únicamente mediante compresión sin enfriamiento. Un vapor puede existir en equilibrio con un líquido (o sólido), en cuyo caso la presión del gas es igual a la presión de vapor del líquido (o sólido).
Un fluido supercrítico (SCF) es un gas cuya temperatura y presión están por encima de la temperatura crítica y la presión crítica, respectivamente. En este estado desaparece la distinción entre líquido y gas. Un fluido supercrítico tiene las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad le confiere propiedades disolventes en algunos casos, lo que conduce a aplicaciones útiles. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se utiliza para extraer cafeína en la fabricación de café descafeinado . [3]
Un gas generalmente se convierte en plasma de dos maneras, ya sea por una gran diferencia de voltaje entre dos puntos o exponiéndolo a temperaturas extremadamente altas. Calentar la materia a altas temperaturas hace que los electrones abandonen los átomos, lo que da como resultado la presencia de electrones libres. Esto crea el llamado plasma parcialmente ionizado. A temperaturas muy altas, como las presentes en las estrellas, se supone que esencialmente todos los electrones están "libres" y que un plasma de muy alta energía es esencialmente núcleos desnudos nadando en un mar de electrones. Esto forma el llamado plasma totalmente ionizado.
El estado del plasma a menudo se malinterpreta y, aunque no existe libremente en condiciones normales en la Tierra, es bastante común que lo generen rayos , chispas eléctricas , luces fluorescentes , luces de neón o televisores de plasma . La corona del Sol , algunos tipos de llamas y las estrellas son ejemplos de materia iluminada en estado de plasma. El plasma es, con diferencia, el más abundante de los cuatro estados fundamentales, ya que el 99% de toda la materia ordinaria del universo es plasma, ya que compone todas las estrellas . [4] [5] [6]
Un estado de la materia también se caracteriza por transiciones de fase . Una transición de fase indica un cambio en la estructura y puede reconocerse por un cambio abrupto en las propiedades. Un estado distinto de la materia puede definirse como cualquier conjunto de estados que se distinguen de cualquier otro conjunto de estados por una transición de fase . Se puede decir que el agua tiene varios estados sólidos distintos. [7] La aparición de la superconductividad está asociada a una transición de fase, por lo que existen estados superconductores . Asimismo, los estados ferromagnéticos están delimitados por transiciones de fase y tienen propiedades distintivas. Cuando el cambio de estado se produce por etapas los pasos intermedios se denominan mesofases . Estas fases se han aprovechado mediante la introducción de la tecnología de cristal líquido . [8] [9]
El estado o fase de un determinado conjunto de materia puede cambiar dependiendo de las condiciones de presión y temperatura , pasando a otras fases a medida que estas condiciones cambian para favorecer su existencia; por ejemplo, las transiciones de sólido a líquido con un aumento de temperatura. Cerca del cero absoluto , una sustancia existe como sólido . A medida que se agrega calor a esta sustancia, se funde hasta convertirse en líquido en su punto de fusión , hierve hasta convertirse en gas en su punto de ebullición y, si se calienta lo suficiente, entraría en un estado de plasma en el que los electrones están tan energizados que abandonan sus átomos originales.
Las formas de materia que no están compuestas de moléculas y están organizadas por diferentes fuerzas también pueden considerarse estados diferentes de la materia. Los superfluidos (como el condensado fermiónico ) y el plasma de quarks-gluones son ejemplos.
En una ecuación química, el estado de la materia de las sustancias químicas se puede mostrar como (s) para sólido, (l) para líquido y (g) para gas. Una solución acuosa se denomina (aq). La materia en estado de plasma rara vez (si es que se usa) en ecuaciones químicas, por lo que no existe un símbolo estándar para denotarla. En las raras ecuaciones en las que se utiliza plasma, se simboliza como (p).
El vidrio es un material sólido no cristalino o amorfo que presenta una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido. Los vidrios pueden estar hechos de clases de materiales muy diferentes: redes inorgánicas (como vidrios de ventanas, hechos de silicato más aditivos), aleaciones metálicas, fundidos iónicos , soluciones acuosas , líquidos moleculares y polímeros . Termodinámicamente, un vidrio se encuentra en un estado metaestable con respecto a su contraparte cristalina. La tasa de conversión, sin embargo, es prácticamente nula.
Un cristal plástico es un sólido molecular con un orden posicional de largo alcance pero cuyas moléculas constituyentes conservan la libertad de rotación; en un vidrio de orientación, este grado de libertad se congela en un estado desordenado apagado .
De manera similar, en un vaso giratorio se congela el desorden magnético.
Los estados de cristal líquido tienen propiedades intermedias entre los líquidos móviles y los sólidos ordenados. Generalmente, pueden fluir como un líquido, pero exhiben un orden de largo alcance. Por ejemplo, la fase nemática consta de moléculas largas en forma de varilla, como el paraazoxianisol , que es nemático en el rango de temperatura de 118 a 136 °C (244 a 277 °F). [10] En este estado las moléculas fluyen como en un líquido, pero todas apuntan en la misma dirección (dentro de cada dominio) y no pueden girar libremente. Como un sólido cristalino, pero a diferencia de un líquido, los cristales líquidos reaccionan a la luz polarizada.
Otros tipos de cristales líquidos se describen en el artículo principal sobre estos estados. Varios tipos tienen importancia tecnológica, por ejemplo, en las pantallas de cristal líquido .
Los átomos de los metales de transición suelen tener momentos magnéticos debido al espín neto de los electrones que permanecen desapareados y no forman enlaces químicos. En algunos sólidos los momentos magnéticos sobre los diferentes átomos están ordenados y pueden formar un ferromagnet, un antiferromagnet o un ferrimagnet.
En un ferroimán (por ejemplo, hierro sólido ), el momento magnético de cada átomo está alineado en la misma dirección (dentro de un dominio magnético ). Si los dominios además están alineados, el sólido es un imán permanente , que es magnético incluso en ausencia de un campo magnético externo . La magnetización desaparece cuando el imán se calienta hasta el punto Curie , que para el hierro es 768 °C (1414 °F).
Un antiferroimán tiene dos redes de momentos magnéticos iguales y opuestos, que se cancelan entre sí de modo que la magnetización neta es cero. Por ejemplo, en el óxido de níquel (II) (NiO), la mitad de los átomos de níquel tienen momentos alineados en una dirección y la otra mitad en la dirección opuesta.
En un ferrimagnet , las dos redes de momentos magnéticos son opuestas pero desiguales, de modo que la cancelación es incompleta y hay una magnetización neta distinta de cero. Un ejemplo es la magnetita (Fe 3 O 4 ), que contiene iones Fe 2+ y Fe 3+ con diferentes momentos magnéticos.
Un líquido de espín cuántico (QSL) es un estado desordenado en un sistema de espines cuánticos que interactúan y que conserva su desorden a temperaturas muy bajas, a diferencia de otros estados desordenados. No es un líquido en el sentido físico, sino un sólido cuyo orden magnético está inherentemente desordenado. El nombre "líquido" se debe a una analogía con el desorden molecular en un líquido convencional. Una QSL no es ni un ferromagnet , donde los dominios magnéticos son paralelos, ni un antiferromagnet , donde los dominios magnéticos son antiparalelos; en cambio, los dominios magnéticos están orientados aleatoriamente. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante momentos magnéticos geométricamente frustrados que no pueden apuntar uniformemente paralelos o antiparalelos. Al enfriarse y establecerse en un estado, el dominio debe "elegir" una orientación, pero si los estados posibles son similares en energía, se elegirá uno al azar. En consecuencia, a pesar de un fuerte orden de corto alcance, no existe un orden magnético de largo alcance.
Los copolímeros pueden sufrir una separación en microfases para formar una variedad diversa de nanoestructuras periódicas, como se muestra en el ejemplo del copolímero en bloque de estireno-butadieno-estireno que se muestra a la derecha. La separación de microfases puede entenderse por analogía con la separación de fases entre aceite y agua. Debido a la incompatibilidad química entre los bloques, los copolímeros en bloque sufren una separación de fases similar. Sin embargo, debido a que los bloques están unidos covalentemente entre sí, no pueden separarse macroscópicamente como lo hacen el agua y el aceite, por lo que los bloques forman estructuras de tamaño nanométrico . Dependiendo de las longitudes relativas de cada bloque y de la topología general del bloque del polímero, se pueden obtener muchas morfologías, cada una con su propia fase de materia.
Los líquidos iónicos también muestran separación de microfases. El anión y el catión no son necesariamente compatibles y de lo contrario se separarían, pero la atracción de carga eléctrica impide que se separen. Sus aniones y cationes parecen difundirse dentro de capas compartimentadas o micelas en lugar de hacerlo libremente como en un líquido uniforme. [11]
Los superconductores son materiales que tienen una resistividad eléctrica nula y, por tanto, una conductividad perfecta. Este es un estado físico distinto que existe a baja temperatura, y la resistividad aumenta de manera discontinua hasta un valor finito a una temperatura de transición claramente definida para cada superconductor. [12]
Un superconductor también excluye todos los campos magnéticos de su interior, fenómeno conocido como efecto Meissner o diamagnetismo perfecto . [12] Los imanes superconductores se utilizan como electroimanes en máquinas de resonancia magnética .
El fenómeno de la superconductividad se descubrió en 1911 y durante 75 años sólo se conoció en algunos metales y aleaciones metálicas a temperaturas inferiores a 30 K. En 1986 se descubrió en determinados óxidos cerámicos la llamada superconductividad de alta temperatura , que actualmente se observa en temperaturas de hasta 164 K. [13]
Cerca del cero absoluto, algunos líquidos forman un segundo estado líquido descrito como superfluido porque tiene viscosidad cero (o fluidez infinita; es decir, fluye sin fricción). Esto fue descubierto en 1937 para el helio , que forma un superfluido por debajo de la temperatura lambda de 2,17 K (-270,98 °C; -455,76 °F). En este estado intentará "salir" de su contenedor. [14] También tiene una conductividad térmica infinita , por lo que no se puede formar ningún gradiente de temperatura en un superfluido. Colocar un superfluido en un recipiente giratorio dará como resultado vórtices cuantificados .
Estas propiedades se explican por la teoría de que el isótopo común helio-4 forma un condensado de Bose-Einstein (ver la siguiente sección) en estado superfluido. Más recientemente, se han formado superfluidos condensados fermiónicos a temperaturas aún más bajas mediante el raro isótopo helio-3 y litio-6 . [15]
En 1924, Albert Einstein y Satyendra Nath Bose predijeron el "condensado de Bose-Einstein" (BEC), a veces denominado el quinto estado de la materia. En un BEC, la materia deja de comportarse como partículas independientes y colapsa en un estado cuántico único que puede describirse con una función de onda única y uniforme.
En la fase gaseosa, el condensado de Bose-Einstein siguió siendo una predicción teórica no verificada durante muchos años. En 1995, los grupos de investigación de Eric Cornell y Carl Wieman , de JILA en la Universidad de Colorado en Boulder , produjeron experimentalmente el primer condensado de este tipo. Un condensado de Bose-Einstein es "más frío" que un sólido. Puede ocurrir cuando los átomos tienen niveles cuánticos muy similares (o iguales) , a temperaturas muy cercanas al cero absoluto , −273,15 °C (−459,67 °F).
Un condensado fermiónico es similar al condensado de Bose-Einstein pero está compuesto de fermiones . El principio de exclusión de Pauli impide que los fermiones entren en el mismo estado cuántico, pero un par de fermiones pueden comportarse como un bosón, y varios pares de este tipo pueden entrar en el mismo estado cuántico sin restricciones.
Un estado de Hall cuántico da lugar a un voltaje Hall cuantificado medido en la dirección perpendicular al flujo de corriente. Un estado de Hall de espín cuántico es una fase teórica que puede allanar el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos que disipen menos energía y generen menos calor. Ésta es una derivación del estado de la materia del Salón Cuántico.
La materia fotónica es un fenómeno en el que los fotones que interactúan con un gas desarrollan una masa aparente y pueden interactuar entre sí, incluso formando "moléculas" fotónicas. La fuente de masa es el gas, que es masivo. Esto contrasta con los fotones que se mueven en el espacio vacío, que no tienen masa en reposo y no pueden interactuar.
Bajo una presión extremadamente alta, como en los núcleos de las estrellas muertas, la materia ordinaria sufre una transición a una serie de estados exóticos de la materia conocidos colectivamente como materia degenerada , que se sustentan principalmente en efectos de la mecánica cuántica. En física, "degenerado" se refiere a dos estados que tienen la misma energía y, por tanto, son intercambiables. La materia degenerada se sustenta en el principio de exclusión de Pauli , que impide que dos partículas fermiónicas ocupen el mismo estado cuántico. A diferencia del plasma normal, el plasma degenerado se expande poco cuando se calienta, porque simplemente no quedan estados de impulso. En consecuencia, las estrellas degeneradas colapsan en densidades muy altas. Las estrellas degeneradas más masivas son más pequeñas porque la fuerza gravitacional aumenta, pero la presión no aumenta proporcionalmente.
La materia degenerada por electrones se encuentra dentro de las estrellas enanas blancas . Los electrones permanecen unidos a los átomos pero pueden transferirse a átomos adyacentes. La materia degenerada por neutrones se encuentra en las estrellas de neutrones . La enorme presión gravitacional comprime los átomos con tanta fuerza que los electrones se ven obligados a combinarse con los protones mediante la desintegración beta inversa, lo que da como resultado un conglomerado superdenso de neutrones. Normalmente, los neutrones libres fuera de un núcleo atómico se desintegrarán con una vida media de aproximadamente 10 minutos, pero en una estrella de neutrones, la desintegración es superada por una desintegración inversa. La materia fría degenerada también está presente en planetas como Júpiter y en las enanas marrones aún más masivas , que se espera que tengan un núcleo con hidrógeno metálico . Debido a la degeneración, las enanas marrones más masivas no son significativamente más grandes. En los metales, los electrones pueden modelarse como un gas degenerado que se mueve en una red de iones positivos no degenerados.
En la materia fría normal, los quarks , partículas fundamentales de la materia nuclear, están confinados por la fuerza fuerte en hadrones que constan de 2 a 4 quarks, como protones y neutrones. La materia de quarks o materia cromodinámica cuántica (QCD) es un grupo de fases en las que se supera la fuerza fuerte y los quarks se desconfinan y se mueven libremente. Las fases de la materia de los quarks se producen a densidades o temperaturas extremadamente altas y no se conocen formas de producirlas en equilibrio en el laboratorio; en condiciones normales, cualquier materia de quarks formada sufre inmediatamente desintegración radiactiva.
La materia extraña es un tipo de materia de quarks que se sospecha que existe dentro de algunas estrellas de neutrones cercanas al límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (aproximadamente 2-3 masas solares ), aunque no hay evidencia directa de su existencia. En la materia extraña, parte de la energía disponible se manifiesta como quarks extraños , un análogo más pesado del quark down común . Puede ser estable en estados de energía más bajos una vez formado, aunque esto no se sabe.
El plasma de quarks-gluones es una fase de muy alta temperatura en la que los quarks se vuelven libres y capaces de moverse de forma independiente, en lugar de estar perpetuamente unidos en partículas, en un mar de gluones , partículas subatómicas que transmiten la fuerte fuerza que une a los quarks. Esto es análogo a la liberación de electrones de los átomos en un plasma. Este estado se puede alcanzar brevemente en colisiones de iones pesados de energía extremadamente alta en aceleradores de partículas y permite a los científicos observar las propiedades de los quarks individuales. Las teorías que predicen la existencia de plasma de quarks-gluones se desarrollaron a finales de los años 1970 y principios de los 1980, [16] y se detectó por primera vez en el laboratorio del CERN en el año 2000. [17] [18] A diferencia del plasma, que Fluye como un gas, las interacciones dentro de QGP son fuertes y fluye como un líquido.
Se teoriza que, a altas densidades pero temperaturas relativamente bajas, los quarks forman un líquido de quarks cuya naturaleza se desconoce actualmente. Forma una fase distinta de bloqueo de color y sabor (CFL) en densidades aún más altas. Esta fase es superconductora para la carga de color. Estas fases pueden ocurrir en estrellas de neutrones , pero actualmente son teóricas.
El condensado de vidrio de color es un tipo de materia que, según la teoría, existe en los núcleos atómicos que viajan cerca de la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad de Einstein, un núcleo de alta energía aparece contraído o comprimido en longitud a lo largo de su dirección de movimiento. Como resultado, los gluones dentro del núcleo aparecen ante un observador estacionario como una "pared gluónica" que viaja cerca de la velocidad de la luz. A energías muy altas, se ve que la densidad de los gluones en esta pared aumenta considerablemente. A diferencia del plasma de quarks y gluones producido en la colisión de tales paredes, el condensado de vidrio de color describe las paredes mismas y es una propiedad intrínseca de las partículas que sólo puede observarse en condiciones de alta energía como las del RHIC y posiblemente en También el Gran Colisionador de Hadrones.
Varias teorías predicen nuevos estados de la materia a energías muy altas. Un estado desconocido ha creado la asimetría bariónica en el universo, pero se sabe poco al respecto. En la teoría de cuerdas , se predice una temperatura de Hagedorn para las supercuerdas de aproximadamente 10 30 K, donde las supercuerdas se producen copiosamente. A la temperatura de Planck (10 32 K), la gravedad se convierte en una fuerza significativa entre las partículas individuales. Ninguna teoría actual puede describir estos estados y no pueden producirse con ningún experimento previsible. Sin embargo, estos estados son importantes en cosmología porque el universo pudo haber pasado por estos estados en el Big Bang .
La singularidad gravitacional que la relatividad general predice que existe en el centro de un agujero negro no es una fase de la materia; No es un objeto material en absoluto (aunque la masa-energía de la materia contribuyó a su creación) sino más bien una propiedad del espacio-tiempo . Debido a que el espacio-tiempo se descompone allí, la singularidad no debe considerarse como una estructura localizada, sino como una característica topológica global del espacio-tiempo. [19] Se ha argumentado que las partículas elementales tampoco son fundamentalmente materiales, sino que son propiedades localizadas del espacio-tiempo. [20] En la gravedad cuántica, las singularidades pueden, de hecho, marcar transiciones a una nueva fase de la materia. [21]
Un supersólido es un material ordenado espacialmente (es decir, un sólido o cristal) con propiedades superfluidas. Al igual que un superfluido, un supersólido puede moverse sin fricción pero conserva una forma rígida. Aunque un supersólido es un sólido, exhibe tantas propiedades características diferentes de otros sólidos que muchos argumentan que es otro estado de la materia. [22]
En un líquido formado por una red de hilos, los átomos tienen una disposición aparentemente inestable, como un líquido, pero siguen siendo consistentes en su patrón general, como un sólido. Cuando están en un estado sólido normal, los átomos de la materia se alinean en un patrón de cuadrícula, de modo que el espín de cualquier electrón es opuesto al espín de todos los electrones que lo tocan. Pero en un líquido formado por una red de hilos, los átomos están dispuestos en algún patrón que requiere que algunos electrones tengan vecinos con el mismo espín. Esto da lugar a propiedades curiosas, además de respaldar algunas propuestas inusuales sobre las condiciones fundamentales del propio universo.
Un supervidrio es una fase de la materia caracterizada, al mismo tiempo, por una superfluidez y una estructura amorfa congelada.
Los metales, como el potasio, en estado fundido en cadena parecen estar en estado líquido y sólido al mismo tiempo. Esto es el resultado de estar sometido a altas temperaturas y presiones, lo que hace que las cadenas del potasio se disuelvan en líquido mientras los cristales permanecen sólidos. [23]
