Estado de agregación

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 14 de julio de 2021; las comprobaciones requieren 16 ediciones .

Estado agregado de la materia (del latín  aggrego "Adjunto") - el estado físico de la materia, dependiendo de la combinación apropiada de temperatura y presión . Un cambio en el estado de agregación puede ir acompañado de un cambio similar a un salto en la energía libre , la entropía , la densidad y otras cantidades físicas . [una]

Tradicionalmente, existen tres estados de agregación: sólido , líquido y gaseoso . Los estados de agregación también incluyen el plasma [2] , al que pasan los gases con un aumento de temperatura y una presión fija. Una característica distintiva es la ausencia de un límite nítido de la transición al estado de plasma. Hay otros estados de agregación.

Las definiciones de estados agregados no siempre son estrictas. Entonces, hay cuerpos amorfos que retienen la estructura de un líquido y tienen poca fluidez y capacidad para retener la forma; Los cristales líquidos son fluidos, pero al mismo tiempo tienen algunas propiedades de los sólidos, en particular, pueden polarizar la radiación electromagnética que los atraviesa .

Para describir varios estados en física, se utiliza el concepto más amplio de una fase termodinámica . Los fenómenos que describen transiciones de una fase a otra se denominan fenómenos críticos .

El principal signo termodinámico (fenomenológico) de la diferencia en los tipos de estado agregado de una sustancia es la presencia de un límite de energía entre las fases: el calor de evaporación como límite entre el líquido y su vapor y el calor de fusión como el límite. límite entre el sólido y el líquido [3] .

Cuatro estados básicos

Cuerpo sólido

En estado sólido, la materia conserva tanto la forma como el volumen. A bajas temperaturas, todas las sustancias se congelan y se vuelven sólidas. La temperatura de solidificación se puede aumentar ligeramente aumentando la presión. Los sólidos se dividen en cristalinos y amorfos. Desde un punto de vista microscópico, los sólidos se caracterizan por el hecho de que las moléculas o átomos en ellos mantienen su posición promedio sin cambios durante mucho tiempo, oscilando solo con una pequeña amplitud a su alrededor. En los cristales, las posiciones medias de los átomos o moléculas están estrictamente ordenadas. Los cristales se caracterizan por la periodicidad espacial en la disposición de las posiciones de equilibrio de los átomos, que se logra por la presencia de un orden de largo alcance y se denomina red cristalina. La forma natural de los cristales son los poliedros regulares.

En los cuerpos amorfos, los átomos vibran alrededor de puntos ubicados al azar, carecen de un orden de largo alcance, pero conservan un orden de corto alcance, en el que las moléculas están ubicadas cerca a distancias comparables a las distancias entre los átomos en las moléculas. Según los conceptos clásicos, un estado estable (con un mínimo de energía potencial) de un cuerpo sólido es cristalino. Un caso especial del estado amorfo es el estado vítreo. Un cuerpo amorfo está en un estado metaestable y debe pasar a un estado cristalino con el tiempo, sin embargo, el tiempo de cristalización es tan largo que la metaestabilidad no se manifiesta en absoluto. Un cuerpo amorfo puede considerarse como un líquido con una viscosidad muy alta (a menudo infinitamente alta). Los sólidos cristalinos tienen propiedades anisotrópicas, es decir, su respuesta a las fuerzas externas aplicadas depende de la orientación de las fuerzas en relación con los ejes cristalográficos. En estado sólido, las sustancias pueden tener muchas fases que difieren en estructura u otras características, como el orden de espines en ferromagnetos.

Fluido

En estado líquido, una sustancia retiene el volumen, pero no retiene su forma. El estado líquido suele considerarse intermedio entre un sólido y un gas. La forma de los cuerpos líquidos puede estar total o parcialmente determinada por el hecho de que su superficie se comporta como una membrana elástica. Entonces, el agua puede acumularse en gotas. Con mezcla y una diferencia de temperatura dentro del líquido y en la superficie, el líquido puede fluir debajo de su superficie estacionaria. Las moléculas de un líquido no tienen una posición definida, pero al mismo tiempo no tienen completa libertad de movimiento. Hay una atracción entre ellos, lo suficientemente fuerte como para mantenerlos cerca. Una sustancia en estado líquido existe en un cierto rango de temperatura, por debajo del cual pasa a un estado sólido (se produce cristalización o se transforma en un estado sólido amorfo - vidrio), arriba, a un estado gaseoso (se produce evaporación). Los límites de este intervalo dependen de la presión. Como regla general, una sustancia en estado líquido tiene solo una modificación. (Las excepciones más importantes son los líquidos cuánticos y los cristales líquidos). Por lo tanto, en la mayoría de los casos, el líquido no es solo un estado de agregación, sino también una fase termodinámica (fase líquida). Todos los líquidos se suelen dividir en líquidos puros y mezclas. Algunas mezclas de líquidos son de gran importancia para la vida: sangre, agua de mar, etc. Los líquidos pueden actuar como disolventes. Al igual que el gas, los líquidos también son en su mayoría isotrópicos. Sin embargo, hay líquidos con propiedades anisotrópicas: cristales líquidos . Además de la fase isotrópica, denominada normal, estas sustancias, los mesógenos, presentan una o más fases termodinámicas ordenadas, que se denominan mesofases . La composición en mesofase ocurre debido a la forma especial de las moléculas de cristal líquido. Por lo general, estas son moléculas largas y estrechas que se benefician de estar apiladas para que sus ejes coincidan.

gasolina

El estado gaseoso se caracteriza por el hecho de que no conserva ni la forma ni el volumen. Además, llena todo el volumen de que dispone. Este es un estado característico de las sustancias con baja densidad. La transición del estado líquido al gaseoso se llama evaporación, y la transición opuesta del estado gaseoso al líquido se llama condensación. La transición de un estado sólido a un estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido, se llama sublimación o sublimación. Desde un punto de vista microscópico, un gas es un estado de la materia en el que sus moléculas individuales interactúan débilmente y se mueven al azar. La interacción entre ellos se reduce a choques esporádicos. La energía cinética de las moléculas excede la potencial. Al igual que los líquidos, los gases son fluidos y resisten la deformación. A diferencia de los líquidos, los gases no tienen un volumen fijo y no forman una superficie libre, sino que tienden a llenar todo el volumen disponible (por ejemplo, un recipiente). Las propiedades químicas de los gases y sus mezclas son muy diversas, desde gases inertes de baja actividad hasta mezclas de gases explosivas. El concepto de "gas" a veces se extiende no solo a agregados de átomos y moléculas, sino también a agregados de otras partículas: fotones, electrones, partículas brownianas y también plasma. Algunas sustancias no tienen estado gaseoso. Son sustancias de estructura química compleja, que al aumentar la temperatura se descomponen por reacciones químicas antes de convertirse en gas. No hay diferentes fases termodinámicas gaseosas de una sustancia. Los gases se caracterizan por la isotropía, es decir, la independencia de las características de la dirección. En condiciones terrestres familiares para los humanos, el gas tiene la misma densidad en cualquier punto, pero esto no es una ley universal, en campos externos, por ejemplo, en el campo gravitatorio de la Tierra, o en condiciones de diferentes temperaturas, la densidad del gas puede variar de punto a punto. El estado gaseoso de una sustancia en condiciones en las que la existencia de una fase sólida o líquida estable de la misma sustancia suele denominarse vapor.

plasma

El cuarto estado de agregación de la materia a menudo se denomina plasma. El plasma es un gas total o parcialmente ionizado y, en equilibrio, generalmente se presenta a una temperatura alta, de varios miles de K [1] y más. En condiciones terrestres, el plasma se forma en las descargas de gas. Sus propiedades se asemejan a las propiedades del estado gaseoso de la materia, excepto por el hecho de que la electrodinámica juega un papel fundamental para el plasma, es decir, el campo electromagnético es un componente igual del plasma con iones y electrones.

El plasma es el estado más común de la materia en el Universo . En este estado se encuentra la materia de las estrellas y la materia que llena el espacio interplanetario , interestelar e intergaláctico . La mayor parte de la materia bariónica (alrededor del 99,9% en masa) del Universo se encuentra en estado de plasma. [4] .

Transición de fase

Una transición de fase a lo largo de un diagrama de fase con un cambio en sus parámetros intensivos ( temperatura , presión , etc.) ocurre cuando el sistema cruza la línea que separa dos fases. Dado que las diferentes fases termodinámicas se describen mediante diferentes ecuaciones de estado , siempre es posible encontrar una cantidad que cambie abruptamente durante una transición de fase.

Durante una transición de fase del primer tipo , los parámetros extensivos primarios más importantes cambian abruptamente : volumen específico , cantidad de energía interna almacenada , concentración de componentes, etc. Las transiciones de fase del segundo tipo ocurren en casos donde la simetría de la estructura de una sustancia cambia ( la simetría puede desaparecer o disminuir por completo).

Estados de baja temperatura

Superfluidez

La capacidad de una sustancia en un estado especial ( líquido cuántico ), que ocurre cuando la temperatura desciende al cero absoluto ( fase termodinámica ), para fluir a través de ranuras estrechas y capilares sin fricción . Hasta hace poco tiempo, la superfluidez solo se conocía en el helio líquido , sin embargo, en los últimos años, la superfluidez también se ha descubierto en otros sistemas: en condensados ​​atómicos de Bose enrarecidos , helio sólido .

La superfluidez se explica de la siguiente manera. Dado que los átomos de helio son bosones , la mecánica cuántica permite que un número arbitrario de partículas se encuentre en el mismo estado. Cerca de las temperaturas del cero absoluto, todos los átomos de helio están en el estado de energía fundamental. Dado que la energía de los estados es discreta, un átomo no puede recibir ninguna energía, sino solo una que sea igual a la brecha de energía entre los niveles de energía vecinos. Pero a bajas temperaturas , la energía de colisión puede ser inferior a este valor, por lo que simplemente no se producirá la disipación de energía. El fluido fluirá sin fricción.

Condensado de Bose-Einstein

Se obtiene enfriando el gas Bose a temperaturas cercanas al cero absoluto. En un estado tan fuertemente enfriado, un número suficientemente grande de átomos se encuentran en sus estados cuánticos mínimos posibles, y los efectos cuánticos comienzan a manifestarse a nivel macroscópico. El condensado de Bose-Einstein exhibe una serie de propiedades cuánticas como la superfluidez y la resonancia de Feshbach .

Condensado fermiónico

Es una condensación de Bose en el modo BCS de "pares atómicos de Cooper" en gases que consisten en átomos de fermiones . (En contraste con el modo tradicional de condensación Bose-Einstein de bosones compuestos).

Tales condensados ​​atómicos fermiónicos son "parientes" de los superconductores, pero con una temperatura crítica del orden de la temperatura ambiente y superior. [5]

Gas degenerado

Un gas cuyas propiedades se ven significativamente afectadas por los efectos mecánicos cuánticos que surgen de la identidad de sus partículas. La degeneración se produce en condiciones en las que las distancias entre las partículas de gas se vuelven proporcionales a la longitud de onda de De Broglie ; Según el espín de las partículas, se distinguen dos tipos de gases degenerados: el gas de Fermi formado por fermiones (partículas con espín semientero) y el gas de Bose formado por bosones (partículas con espín entero).

Sólido superfluido

La fase termodinámica de un líquido cuántico , que es un cuerpo sólido con las propiedades de un líquido superfluido .

Estados de alta energía

Glasma

El estado del campo hadrónico [6] que precede al plasma quark-gluon en las colisiones . Consta de tubos de corriente de colores. [7] El glasma es una característica del modelo teórico del condensado de vidrio de color , un  enfoque para describir la fuerte interacción a altas densidades [8] .

Glazma se forma cuando los hadrones chocan entre sí (por ejemplo, protones con protones, iones con iones, iones con protones). También se cree que en la evolución del Universo , el estado de glasma precedió al plasma de quarks-gluones, que existió en las primeras millonésimas de segundo inmediatamente después del Big Bang . La vida útil del glasma es de unos octosegundos [ 9 ] .

Plasma de quarks-gluones

Un estado de la materia en la física de partículas y de alta energía , en el que la materia hadrónica entra en un estado similar al de los electrones e iones en el plasma ordinario . Está precedido por el estado del ojo [10] (el ojo se termaliza, es decir, se destruye, dando lugar a muchos quarks , antiquarks y gluones que se mueven aleatoriamente : plasma quark-gluon [11] ).

Estados de alta presión

Estado de neutrones

Un estado de la materia fundamentalmente diferente, que consta únicamente de neutrones. La materia pasa al estado de neutrones a ultra alta presión, que aún no está disponible en el laboratorio, pero que existe dentro de las estrellas de neutrones. Durante la transición al estado de neutrones, los electrones de la materia se combinan con los protones y se convierten en neutrones. Esto requiere que las fuerzas de la gravedad compriman la materia lo suficiente como para vencer la repulsión de los electrones debido al principio de Pauli . Como resultado, en el estado de neutrones, la materia se compone enteramente de neutrones y tiene una densidad del orden de la nuclear. La temperatura de la sustancia en este caso no debe ser muy alta (en equivalente de energía, oscilando entre cientos de MeV).

Otros estados

Materia oscura

Una forma de materia que no emite ni interactúa con la radiación electromagnética . Esta propiedad de esta forma de materia hace que sea imposible observarla directamente . Sin embargo, es posible detectar la presencia de materia oscura a partir de los efectos gravitatorios que crea .

El descubrimiento de la naturaleza de la materia oscura ayudará a resolver el problema de la masa oculta , que, en particular, consiste en la velocidad de rotación anómalamente alta de las regiones exteriores de las galaxias .

Fluido supercrítico

Un estado de la materia en el que desaparece la distinción entre las fases líquida y gaseosa. Cualquier sustancia a una temperatura y presión por encima del punto crítico es un fluido supercrítico. Las propiedades de una sustancia en estado supercrítico son intermedias entre sus propiedades en las fases gaseosa y líquida. Por lo tanto, SCF tiene una alta densidad, cerca de un líquido, baja viscosidad y, en ausencia de límites interfaciales, la tensión superficial también desaparece. El coeficiente de difusión en este caso tiene un valor intermedio entre líquido y gas. Las sustancias en estado supercrítico se pueden utilizar como sustitutos de disolventes orgánicos en procesos industriales y de laboratorio. El agua supercrítica y el dióxido de carbono supercrítico han recibido el mayor interés y distribución en relación con ciertas propiedades.

Materia degenerada

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 Estados agregados de la materia // A - Engobe. - M.  : Enciclopedia Soviética, 1969. - ( Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / editor en jefe A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 1).
  2. ↑ Estados agregados // Enciclopedia física  : [en 5 volúmenes] / Cap. edición A. M. Projorov . - M . : Enciclopedia soviética (vol. 1-2); Gran Enciclopedia Rusa (vols. 3-5), 1988-1999. — ISBN 5-85270-034-7 .
  3. ↑ Belokon, NI Principios básicos de la termodinámica, 1968. - P. 25.
  4. ↑ Vladímir Zhdanov. Plasma en el espacio . La vuelta al mundo Consultado el 21 de febrero de 2009. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2011.
  5. ↑ "Condensado fermiónico" (enlace inaccesible) . científico.ru. Consultado el 16 de junio de 2010. Archivado desde el original el 9 de agosto de 2011. 
  6. ↑ C. Fuchs, H. Lenske, H. H. Wolter. Teoría del campo de hadrones dependiente de la densidad . arxiv.org (29.06.1995). Consultado el 30 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2017.
  7. ↑ I. M. Dremin, A. V. Leonidov. Quark-Gluon Medium P. 1172. Avances en Ciencias Físicas (noviembre de 2010). doi : 10.3367/UFNr.0180.201011c.1167 . UFN 180 1167–1196 (2010). Fecha de acceso: 29 de marzo de 2013. Archivado desde el original el 5 de abril de 2013.
  8. ↑ Los teóricos comentan por primera vez sobre el descubrimiento reciente de CMS . Fecha de acceso: 4 de febrero de 2015. Archivado desde el original el 4 de febrero de 2015.
  9. ↑ Ígor Ivanov. Cómo dividen el momento . Elementy.ru (29.06.2009). Consultado el 29 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 8 de diciembre de 2012.
  10. ↑ VL Corto. Explosión de materia nuclear caliente S. 6. old.sinp.msu.ru. Fecha de acceso: 29 de marzo de 2013. Archivado desde el original el 5 de abril de 2013.
  11. ↑ Explorando las colisiones nucleares . Elementos.ru . Consultado el 30 de octubre de 2013. Archivado desde el original el 30 de octubre de 2013.
  12. ↑ ¿La fusión de los núcleos atómicos ocurre en dos etapas? . Consultado el 1 de febrero de 2008. Archivado desde el original el 21 de enero de 2015.

Literatura

  Ir al elemento de Wikidata  diccionarios y enciclopedias
En catálogos bibliográficos