Explicación completa:
Estado sólido:
A bajas temperaturas, los materiales se presentan como cuerpos de forma compacta y
precisa; y sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras cristalinas, lo que les confiere la capacidad
de soportar fuerzas sin deformación aparente. Los sólidos son calificados
generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son
mayores que las de repulsión. La presencia de pequeños espacios
intermoleculares caracteriza a los sólidos dando paso a la intervención de las
fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma geométrica.
Las sustancias en estado sólido
presentan las siguientes características:
·
Forma
definida
·
Volumen
constante
·
Cohesión
(atracción)
·
Vibración
·
Rigidez
·
Incompresibilidad
(no pueden comprimirse)
·
Resistencia
a la fragmentación
·
Fluidez
muy baja o nula
·
Algunos
de ellos se subliman (yodo)
·
Volumen
tenso
Estado
liquido
Si se incrementa la temperatura
el sólido va "descomponiéndose" hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la
capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En
este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho
menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes
características:
·
Cohesión
menor
·
Movimiento
energía cinética.
·
No poseen
forma definida.
·
Toma la
forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
·
En el
frío se comprime, excepto el agua.
·
Posee
fluidez a través de pequeños orificios.
·
Puede
presentar difusión.
·
No tiene
forma fija pero si volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas
propiedades muy específicas son características de los líquidos.
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Estado
gaseoso
Incrementando aún más la
temperatura se alcanza el estado gaseoso. Las moléculas del gas se encuentran prácticamente libres, de modo
que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos.
El estado gaseoso presenta las
siguientes características:
·
Cohesión
casi nula.
·
Sin forma
definida.
·
Su
volumen sólo existe en recipientes que lo contengan.
·
Pueden
comprimirse fácilmente.
·
Ejercen
presión sobre las paredes del recipiente contenedor.
·
Las
moléculas que lo componen se mueven con libertad.
·
Ejercen movimiento ultra dinámico.
Estado de
plasma
En física y química,
el concepto de plasma es un estado de la materia donde algunos o todos los electrones han sido
separados de las órbitas externas delátomo. El resultado es una colección de iones (átomos
que al perder electrones adquieren carga positiva) y electrones (de carga
negativa) que no están ligados el uno al otro. Se da a altas temperaturas, como
por ejemplo en el interior de las estrellas. A partir de cierta temperatura (que depende de lapresión y de otros factores), los átomos ya no pueden
conservar sus electrones y éstos se mueven libremente, formando una especie de
«gas» de electrones y núcleos. Sus propiedades físicas
son parecidas a las de un gas muy denso.
El plasma es también llamado gas
ionizado.
El término plasma es normalmente
reservado a un sistema de partículas cargadas, lo suficientemente
grandes para tener un comportamiento colectivo. Un pequeño número de iones y
electrones no es, usualmente, llamado plasma.
Como las nebulosas y las
estrellas están formadas de plasma, es la forma de materia más común del universo visible (más del 99%).
El plasma fue identificado como
forma de materia por Sir William Crookes en 1879, pero la palabra
"plasma" fue aplicada por primera vez al gas ionizado por el Dr.
Irving Langmuir.
La primera vez que se consiguió
crear plasma artificialmente fue en un tokamak del CERN en Ginebra (Suiza), en
un experimento destinado a fabricar un reactor de fusión nuclear.
El plasma es un gas ionizado, es
decir, los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones
o de todos ellos. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero
compuesto por electrones y cationes (iones con carga positiva), separados entre
sí y libres, por eso es un excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol. En la baja Atmósfera terrestre, cualquier átomo que pierde un
electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida).Pero a altas
temperaturas es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se
mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones entre
estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar
los electrones. En la atmósfera solar, una gran parte de los átomos están
permanentemente «ionizados» por estas colisiones y el gas se comporta como un
plasma. A diferencia de los gases fríos (por ejemplo, el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos
magnéticos. La lámpara fluorescente, contiene plasma (su componente principal
es vapor de mercurio) que calienta y agita la electricidad, mediante la
línea de fuerza a la que está conectada la lámpara. La línea,
positivo eléctricamente un extremo y negativo, causa que los iones positivos se
aceleren hacia el extremo negativo, y que los electrones negativos vayan hacia
el extremo positivo. Las partículas aceleradas ganan energía, colisionan con
los átomos, expulsan electrones adicionales y mantienen el plasma, aunque se
recombinen partículas. Las colisiones también hacen que los átomos emitan luz y esta forma de luz es más eficiente que las
lámparas tradicionales. Los letreros de neón y las luces urbanas funcionan por
un principio similar y también se usaron en electrónicas.
Condensado
bose-einstein
Esta nueva forma de la materia
fue obtenida el 5 de julio de 1995, por los físicos Eric Cornell, Wolfgan
Ketterle y Carl Wieman, los cuales fueron galardonados en 2001 con el premio
nobel de la física. Los científicos lograron enfriar los átomos a una
temperatura 300 veces más bajo que lo que se había logrado anteriormente. Se le
ha llamado "BEC, Bose - Einstein Condensado" y es tan frío y denso
que ellos aseguran que los átomos pueden quedar inmóviles.Sin embargo todavía
no se sabe cuál será el mejor uso que se le pueda dar a este descubrimiento.
Este estado fue predicho por Einstein y Bose en 1924.
Condensado
de fermi
Creado en la universidad de Colorado por primera vez en 1999, el
primer condensado de Fermi formado por átomos fue creado en 2003. El condensado
fermiónico, considerado como el sexto estado de la materia, es una fase
superfluida formada por partículas fermiónicas a temperaturas bajas. Esta
cercanamente relacionado con el condensado de Bose-Einstein. A diferencia de
los condensados de Bose-Einstein, los fermiones condensados se forman
utilizando fermiones en lugar de bosones.
Dicho de otra forma, el condensado
de Fermi es un estado de agregación de la materia en la que la materia adquiere
superfluidez. Se crea a muy bajas temperaturas, extremadamente cerca del cero
absoluto.
Los primeros condensados
fermiónicos describían el estado de los electrones en un superconductor. El
primer condensado fermiónico atómico fue creado por Deborah S. Jin en 2003. Un
condensado quiral es un ejemplo de un condensado fermiónico que aparece en
las teorías de los fermiones sin masa con rompimientos a
la simetría quiral.
Es considerado una falacia para
muchos científicos. La naturaleza del condensado implica que todas las
partículas que lo conforman se encuentran en el mismo estado cuántico, lo cual
es sólo posible si dichas partículas son bosones. Ahora bien, el Principio de
exclusión de Pauli impide que cualquier pareja de Fermiones ocupe el mismo
estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto un condensado fermiónico no puede
existir.
¿Cuál es la diferencia? Los
bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier
átomo con un número par de electrones+protones+neutrones es un bosón. Así, por
ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para
formar condensados Bose-Einstein. Los fermiones, por otro lado, son
antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el
"Principio de Exclusión de Pauli" de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número
impar de electrones+protones+neutrones, como el potasio-40, es un fermión.
Supersólido:
Este material es un sólido en el
sentido de que la totalidad de los átomos del helio-4 que lo componen están
congelados en una película cristalina rígida, de forma similar a como lo están
los átomos y las moléculas en un sólido normal como el hielo. La diferencia es
que, en este caso, "congelado" no significa "estacionario".
Como la película de helio-4 es
tan fría (apenas un décimo de grado sobre el cero absoluto), comienzan a
imperar las leyes de incertidumbre cuántica. En efecto, los
átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la
vez. De hecho, en las circunstancias adecuadas, una fracción de los átomos de
helio comienza a moverse a través de la película como una sustancia conocida
como "súper-fluido", un líquido que se mueve sin ninguna fricción. De
ahí su nombre de "súper-sólido".
OTROS
ESTADOS DE MATERIA
Existen otros posibles estados de
la materia; algunos de estos sólo existen bajo condiciones extremas, como en el
interior de estrellas muertas, o en el comienzo del universo después del Big Bang o gran explosión:
·
Superfluido
·
Materia
degenerada
·
Materia
fuertemente simétrica
·
Materia
débilmente simétrica
·
Materia
extraña o [Materia de Quarks]
Cambios de estado en la
Materia
Fusión
La fusión es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido al
estado líquido por la acción del calor. Cuando se calienta un sólido, se transfiere
energía a los átomos que vibran con más rapidez a medida que gana energía.
Sabemos que los sólidos
tienen estructura cristalina, esto es, sus átomos están
colocados de forma regular en determinados puntos, siguiendo las tres
dimensiones del espacio. Estos átomos pueden vibrar en torno a su posición de equilibrio y si su temperatura aumenta, la amplitud de
sus vibraciones crece, ya que la energía que reciben se emplea en aumentar
su velocidad. Puede llegar un momento que los enlaces que los
retenían en sus posiciones se rompan, desaparezca la distribución regular o lo que es lo mismo la estructura
cristalina y se inicie el paso al estado líquido, es decir la fusión.
Punto de fusión: temperatura en
la que el sólido se convierte en líquido; este valor es constante y específico en cada sustancia,
el cambio de sólido a líquido no sólo se da por aplicación de calor sino que
también aumentando o disminuyendo la presión según se requiera.
Solidificación
La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio
de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la
temperatura. Es el proceso inverso a la fusión.
En general, los compuestos
disminuyen de volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos
los casos; en el caso del agua aumenta.
En
metalurgia
En general, los productos metálicos se originan en una primera etapa en
estado liquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por
colada continua. El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso
en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el procesamiento
posterior.
Solidificación
de Metales:
La solidificación de metales y
aleaciones es un importante proceso industrial ya que la mayoría de los metales
se funden para moldearlos hasta una forma acabada o semiacabada. En general, la
solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas:
1. Formación de núcleos estables
en el fundido (nucleación).
2. Crecimiento del núcleo hasta
dar origen a cristales.
3. La formación de granos y
estructura granular.
El aspecto que cada grano
adquiere después de la solidificación del metal depende de varios factores, de
entre los que son importantes los gradientes térmicos. Los granos denominados
equiaxiales, son aquellos en que su crecimiento ha sido igual en todas las
direcciones.
Los dos mecanismos principales
por los que acontece la nucleación de partículas sólidas en un metal liquido
son: nucleación homogénea y nucleación heterogénea.
Nucleación homogénea: se
considera en primer lugar la nucleación homogénea porque es el caso más simple
de nucleación. Esta se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por
sí mismo los átomos para formar los núcleos.
Nucleación heterogénea: en este
caso la nucleación sucede en un líquido sobre la superficie del recipiente que
lo contiene, impurezas insolubles, u otrosmateriales estructurales.
Vaporización
La Vaporización es el cambio de estado de líquido a gaseoso.
Hay dos tipos de vaporización: la
ebullición y la evaporación.
La Ebullición es el cambio de
estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de
vapor.
Para que ello ocurra debe
aumentar la temperatura en toda la masa del líquido.
A la temperatura durante la cual
se dice que un determinado líquido hierve se la llama punto de ebullición.
La diferencia entre la
evaporación y la ebullición, es que en la evaporación, el cambio de estado
ocurre solamente en la superficie del líquido. También se encuentra en que en
una se necesita mayor cantidad de calor para que suceda la reacción, y aparte
una es un proceso químico y otra físico.
Cuando se realiza una destilación, para separar dos o más líquidos de diferente
punto de ebullición, la temperatura permanece constante en el punto de
ebullición de cada uno de los líquidos que se desea separar de la mezcla.
Condensación
Se denomina condensación al cambio de estado
de la materia que se encuentra en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso
inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado
sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa.
Aunque el paso de gas a líquido
depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente
se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la
ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición,
el proceso se denomina licuefacción.
El proceso de condensación suele
tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de rocío, sin embargo este
punto también puede ser alcanzado variando la presión. El equipo industrial o
de laboratorio necesario para realizar este proceso de
manera artificial se llama condensador.
La condensación es esencial para
el proceso de destilación, un proceso muy importante tanto para el trabajo en el laboratorio como para aplicaciones
industriales.
Sublimación
La sublimación o
volatilización es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia
sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Se puede llamar de la
misma forma al proceso inverso; es decir, el paso directo del estado gaseoso al
estado sólido, pero es más apropiado referirse a esa transición como sublimación inversa o
cristalización; ocurre en las geoditas. Un ejemplo clásico de sustancia capaz
de sublimarse es el hielo seco.
Los sólidos tienen presiones de
vapor características, que oscilan con la temperatura como sucede con líquidos.
Acrecentando la temperatura, aumenta también la presión de vapor del sólido. El
suceso de la estabilización de un sólido con vapor saturado, que varía su
presión con la temperatura, a esa inflexión se llama curvatura de sublimación.
Se determina como sublimación el indicar la conversión directa sólido-vapor,
sin la intervención líquida. Por ejemplo, la purificación del yodo, azufre,
naftaleno o ácido benzoico resultan muy viable por sublimación, debido a que
las presiones de vapor de estos sólidos tienen valores bastante elevados.
Los olores característicos de
muchas sustancias sólidas, como las nombradas, son debidos a que estas
sustancias tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente. Otro
ejemplo es el más común para ilustrar sublimación es a través de hielo seco,
que es el nombre común que se le da al CO2 congelado. Cuando el hielo seco se
expone al aire, éste se comienza a sublimar, o a convertirse en vapor. Esto le
pasa al hielo seco porque a temperatura ambiente el gas congelado prefiere ser
gas y no sólido congelado.
Sublimacion
regresiva o inversa
Es el proceso inverso a la
sublimación progresiva, es decir, el paso directo de gas a sólido. Por ejemplo,
cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo y luego se pone
sobre ellos un objeto que está muy frío; entonces, los vapores se transformarán
nuevamente en cristales de yodo. Históricamente la palabra sublimado se refirió
a las sustancias formadas por deposición a partir de «vapores» (gases), como el
«sublimado corrosivo», cloruro mercúrico, formado por alteración de los
calomelanos cristalizado obtenido durante las operaciones alquímicas.
Cualquier sustancia pura puede
sublimarse, esto debido a condiciones de presiones superiores y temperaturas
inferiores a la que se produce dicha transición. En la naturaleza la
sublimación inversa se observa en la formación de la nieve o de la escarcha.
Las partículas partiendo de las cuales se produce la acreción o acrecimiento
planetario, se forman por sublimación inversa a partir de compuestos en estado
gaseoso originados en supernovas.
Este proceso también es conocido
como deposición.
Ionización
Un gas se transforma en plasma
cuando la energía cinética de las partículas del gas se eleva hasta igualar la
energía de ionización del gas. Cuando alcanza este nivel, las colisiones de las
partículas del gas provocan una rápida ionización en cascada, y el gas se
transforma en plasma. Si se aporta la suficiente energía aplicando calor, la
temperatura crítica se situará entre 50.000 y 100.000 K,
elevándose a cientos de millones de grados, la temperatura requerida para
mantener el plasma. Otro modo de convertir un gas en plasma consiste en hacer
pasar electrones de alta energía a través del gas.
La ionización es el proceso químico o físico mediante el cual se
producen iones, éstos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al
exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutro. A la
especie química con más electrones que el átomo o molécula neutros se le llama
anión, y posee una carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones
catión, teniendo una carga neta positiva. Hay varias maneras por las que se
pueden formar iones de átomos o moléculas.
Deionización
Se le denomina al proceso
mediante el cual el plasma pasa de estado de Plasma o gas ionizado a estar en
estado gaseoso.
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