Estado de la materia, Los cuatro estados fundamentales, Transiciones de fase, Estados no clásicos, Estados de baja temperatura, Estados de alta energía, Estados de muy alta energía, Otros estados propuestos



Estados de la materia en la física son las formas distintas que las diferentes fases de la materia adquieren. Cuatro estados de la materia son observables en la vida cotidiana: sólido, líquido, gas y plasma. Muchos otros estados se conocen como Bose-Einstein y neutrones-materia degenerada pero éstas sólo se producen en situaciones extremas, como muy densa materia fría o ultra. Otros estados, como quark-gluón plasmas, se considera que es posible, pero siguen siendo teóricas por ahora. Para obtener una lista completa de todos los estados exóticos de la materia, la lista de los estados de la materia.

Históricamente, se hace la distinción sobre la base de las diferencias cualitativas en las propiedades. La materia en estado sólido mantiene un volumen y forma fija, con partículas componentes juntos y se fijan en su lugar. La materia en estado líquido mantiene un volumen fijo, pero tiene una forma variable que se adapta para ajustarse a su recipiente. Sus partículas aún están juntos sino que se mueven libremente. La materia en estado gaseoso tiene tanto volumen y forma variables, adaptándose tanto para adaptarse a su contenedor. Sus partículas son ni juntos ni fijos en su lugar. La materia en estado de plasma tiene un volumen y forma variable, pero, así como átomos neutros, que contiene un número significativo de los iones y electrones, ambos de los cuales pueden moverse libremente. El plasma es la forma más común de la materia visible en el universo.

Los cuatro estados fundamentales

Sólido

Las partículas están muy juntos. Las fuerzas entre las partículas son lo suficientemente fuertes para que las partículas no se pueden mover libremente, pero sólo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una, forma definida estable, y un volumen definido. Sólidos sólo pueden cambiar su forma por la fuerza, como cuando se rompen o cortar.

En los sólidos cristalinos, las partículas se empaquetan en un orden regular, que repite el modelo. Hay muchas estructuras cristalinas diferentes, y la misma sustancia puede tener más de una estructura. Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas por debajo de 912 C, y una estructura cúbica centrada en las caras entre 912 y 1394 C. El hielo tiene quince estructuras conocidas de cristal, o quince fases sólidas, que existen a diversas temperaturas y presiones.

Vidrios y otros, sólidos amorfos no cristalinos sin orden de largo alcance no son estados fundamentales equilibrio térmico, por lo que se describen a continuación como estados no clásicos de la materia.

Los sólidos pueden ser transformados en líquidos por fusión, y los líquidos pueden ser transformados en sólidos por congelación. Los sólidos también pueden cambiar directamente en gases a través del proceso de sublimación.

Líquido

Un líquido es un fluido casi incompresible que se ajusta a la forma de su envase, pero conserva un volumen constante independiente de la presión. El volumen es definida si la temperatura y la presión son constantes. Cuando un sólido se calienta por encima de su punto de fusión, que se convierte en líquido, dado que la presión es mayor que el punto triple de la sustancia. Las fuerzas intermoleculares siguen siendo importantes, pero las moléculas de tener suficiente energía para mover uno respecto al otro y la estructura es móvil. Esto significa que la forma de un líquido no está definido, pero está determinada por su recipiente. El volumen es por lo general mayor que la del sólido correspondiente, la excepción más conocido es el agua, H2O. La temperatura más alta a la que puede existir un líquido dado es su temperatura crítica.

Gas

Un gas es un fluido compresible. No sólo un gas de adaptarse a la forma de su envase, sino que también se expandirá para llenar el recipiente.

En un gas, las moléculas tienen suficiente energía cinética para que el efecto de las fuerzas intermoleculares es pequeña, y la distancia típica entre moléculas vecinas es mucho mayor que el tamaño molecular. Un gas no tiene forma o volumen definido, pero ocupa todo el recipiente en el que está confinado. Un líquido puede convertirse en un gas por calentamiento a presión constante hasta el punto de ebullición, o bien mediante la reducción de la presión a temperatura constante.

A temperaturas por debajo de su temperatura crítica, un gas también se llama un vapor, y puede ser licuado por compresión sola sin refrigeración. Un vapor puede existir en equilibrio con un líquido, en cuyo caso la presión de gas es igual a la presión de vapor del líquido.

Un fluido supercrítico es un gas cuya temperatura y presión están por encima de la temperatura crítica y presión crítica, respectivamente. En este estado, la distinción entre el líquido y el gas desaparece. Un fluido supercrítico tiene las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad confiere propiedades disolventes, en algunos casos, lo que conduce a aplicaciones útiles. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se usa para extraer la cafeína en la fabricación de café descafeinado.

Plasma

Como un gas, el plasma no tiene forma o volumen definido. A diferencia de los gases, los plasmas son eléctricamente conductor, producir los campos magnéticos y corrientes eléctricas, y responder fuertemente a las fuerzas electromagnéticas. Núcleos cargados positivamente nadar en un "mar" de libertad de movimiento de los electrones disociados, de forma similar a la forma en que estos cargos existan en metálico conductor. De hecho, es este electrón "mar" que permite que la materia en estado de plasma para conducir la electricidad.

El estado de plasma es a menudo mal entendido, pero en realidad es bastante común en la Tierra, y la mayoría de las personas lo observan de manera regular y sin siquiera darse cuenta. Rayo, chispas eléctricas, luces fluorescentes, luces de neón, televisores de plasma, y el Sol, son ejemplos de la materia luminosa en estado de plasma.

Un gas se convierte por lo general a un plasma en una de dos maneras, ya sea a partir de una enorme diferencia de voltaje entre dos puntos, o mediante su exposición a temperaturas extremadamente altas.

Cuando la materia se calienta a altas temperaturas, tales como en una llama electrones comienzan a salir de los átomos que resultan en la presencia de electrones libres. A temperaturas muy altas, como los presentes en las estrellas, se supone que prácticamente todos los electrones son "libres", y que un plasma de muy alta energía es la natación núcleos esencialmente desnudo en un mar de electrones.

Transiciones de fase

Un estado de la materia también se caracteriza por las transiciones de fase. Una transición de fase indica un cambio en la estructura y puede ser reconocido por un cambio abrupto en las propiedades. Un estado distinto de la materia puede ser definido como cualquier conjunto de estados distinguirse de cualquier otro conjunto de estados por una transición de fase. El agua puede decirse que tiene varios estados sólidos distintos. La aparición de la superconductividad se asocia con una transición de fase, por lo que hay estados superconductores. Del mismo modo, los estados ferromagnéticos están delimitadas por las transiciones de fase y tienen propiedades distintivas. Cuando el cambio de estado se produce en las etapas de los pasos intermedios se denominan mesofases. Estas fases han sido explotadas por la introducción de la tecnología de cristal líquido.

El estado o fase de un conjunto dado de la materia pueden cambiar en función de condiciones de presión y temperatura, la transición a otras fases como estas condiciones cambian para favorecer su existencia, por ejemplo, transiciones de sólido a líquido con un aumento de la temperatura. Cerca del cero absoluto, existe una sustancia como un sólido. A medida que se añade calor a esta sustancia se funde en un líquido en su punto de fusión, se reduce en un gas a su punto de ebullición, y si es lo suficientemente alta climatizada entraría en un estado de plasma en la que los electrones están tan energizados que salen de sus átomos de matrices.

Las formas de la materia que no se compone de moléculas y están organizado por diferentes fuerzas también se pueden considerar diferentes estados de la materia. Superfluidos y el plasma de quark-gluón son ejemplos.

En una ecuación química, el estado de la materia de los productos químicos se puede mostrar como para sólidos, para el líquido, y para el gas. Una solución acuosa se denota. La materia en estado de plasma se utiliza raras veces en las ecuaciones químicas, lo que no hay símbolo estándar para denotar que.

Estados no clásicos

Vidrio

El vidrio es un material sólido no cristalino o amorfo que presenta una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido. Los anteojos pueden ser de muy diferentes clases de materiales: redes inorgánicas, aleaciones metálicas, iónica fundidos, soluciones acuosas, líquidos moleculares, y polímeros. Termodinámicamente, un vaso está en un estado metaestable con respecto a su contraparte cristalina. La tasa de conversión, sin embargo, es prácticamente cero.

Cristales con algún grado de trastorno

Un cristal de plástico es un sólido molecular con orden posicional de largo alcance, pero con las moléculas constituyentes de retención libertad de rotación, en un vaso de orientación se congela este grado de libertad en un estado desordenado templado.

Del mismo modo, en un desorden magnético vidrio de espín se congela.

Estados de cristal líquido

Estados de cristal líquido que tienen propiedades intermedias entre los líquidos y sólidos móviles ordenados. En general, son capaces de fluir como un líquido, pero exhibiendo orden de largo alcance. Por ejemplo, la fase nemática se compone de largas moléculas en forma de varilla, tales como para-azoxyanisole, que es nemático en el rango de temperatura de 118-136 C. En este estado, el flujo de moléculas como en un líquido, pero todos apuntan en la misma dirección y no pueden girar libremente.

Otros tipos de cristales líquidos se describen en el artículo principal en estos estados. Varios tipos tienen importancia tecnológica, por ejemplo, en pantallas de cristal líquido.

Magnéticamente ordenada

Átomos de metales de transición con frecuencia tienen momentos magnéticos debido al giro neto de electrones que permanecen sin pareja y no forman enlaces químicos. En algunos sólidos de los momentos magnéticos de diferentes átomos se ordenan y pueden formar un material ferromagnético, un antiferromagneto o ferrimagnet.

En un material ferromagnético, por ejemplo, hierro-el sólido momento magnético en cada átomo está alineado en la misma dirección. Si también están alineados los dominios, 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 de Curie, que para el hierro es de 768 C.

Un antiferromagneto tiene dos redes de momentos magnéticos iguales y opuestas, que se cancelan entre sí de manera que la magnetización neta es cero. Por ejemplo, en óxido de níquel, 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 desigual, por lo que la cancelación es incompleta y hay una magnetización neta distinta de cero. Un ejemplo es la magnetita, que contiene Fe2 y Fe3 iones con diferentes momentos magnéticos.

Separados por microfases

Los copolímeros pueden someterse a separación de microfases para formar una gran variedad de nanoestructuras periódicas, como se muestra en el ejemplo del copolímero de bloque de estireno-butadieno-estireno muestra a la derecha. Separación de microfases puede ser entendido por analogía a la separación de fases entre el aceite y el agua. Debido a la incompatibilidad química entre los bloques, copolímeros de bloques se someten a una separación de fases similares. Sin embargo, debido a que los bloques están unidos covalentemente entre sí, no pueden desmezclar macroscópicamente como el agua y el aceite puede, y así en lugar estructuras de tamaño nanométrico la forma de bloques. Dependiendo de las longitudes relativas de cada bloque y el bloque de topología global del polímero, se pueden obtener muchas morfologías, cada uno de su propia fase de la materia.

Estados de baja temperatura

Superfluido

Cerca del cero absoluto, algunos líquidos formar un segundo estado líquido descrito como superfluido, ya que tiene una viscosidad cero. Este fue descubierto en 1937 para el helio, que forma un superfluido por debajo de la temperatura de lambda de 2,17 K. En este estado se tratará de "subir" fuera de su recipiente. También tiene una conductividad térmica infinita para que ningún gradiente de temperatura puede formar en un superfluido. La colocación de un superfluido en un recipiente giratorio resultará en vórtices cuantizados.

Estas propiedades se explican por la teoría de que el isótopo común del helio-4 forma un condensado Bose-Einstein en el estado superfluido. Más recientemente, fermiónicos superfluidos condensado se han formado a temperaturas aún más bajas por el isótopo helio-3 y litio-6.

Bose-Einstein

En 1924, Albert Einstein y Satyendra Nath Bose predijeron el "condensado Bose-Einstein", a veces referido como el quinto estado de la materia. En un BEC, la materia deja de comportarse como partículas independientes, y se derrumba en un solo estado cuántico que se puede describir con una única función de onda uniforme.

En la fase de gas, el condensado Bose-Einstein mantuvo 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, produjo el primer condensado experimentalmente. Un condensado Bose-Einstein es "más frío" que un sólido. Puede ocurrir cuando los átomos tienen niveles cuánticos muy similares, a temperaturas muy cercanas al cero absoluto.

Condensado fermiónico

A fermionic condensado es similar a la de Bose-Einstein, pero compuesta de fermiones. El principio de exclusión de Pauli impide fermiones de entrar en el mismo estado cuántico, pero un par de fermiones puede comportarse como un bosón, y varios de estos pares se puede entrar en el mismo estado cuántico sin restricciones.

Molécula Rydberg

Uno de los estados metaestables de fuerza no ideal plasma es materia Rydberg, que se forma sobre la condensación de los átomos excitados. Estos átomos pueden también convertirse en iones y electrones cuando llegan a una cierta temperatura. En abril de 2009, Nature informó de la creación de moléculas Rydberg de un átomo de Rydberg y un átomo de estado de la tierra, lo que confirma que el estado de la materia como podría existir. El experimento se realizó utilizando átomos de rubidio ultrafríos.

Estado Quantum Salón

Un estado Hall cuántico da lugar a la tensión de Hall cuantizado medida en la dirección perpendicular al flujo de corriente. Un estado cuántico de espín Hall es una fase teórica que puede allanar el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos que disipan menos energía y generan menos calor. Esta es una derivación del estado Hall cuántico de la materia.

La materia extraña

La materia extraña es un tipo de quark asunto que pueda existir dentro de algunas estrellas de neutrones cerca del límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff. Puede ser estable en estados de energía más bajos una vez formados.

Estados de alta energía

Color-vidrio condensado

Color-vidrio condensado es un tipo de materia teorizado que existe en el núcleo atómico viajan cerca de la velocidad de la luz. De acuerdo con la teoría de Einstein de la relatividad, un núcleo de alta energía aparece longitud contraída, o comprimido, a lo largo de su dirección de movimiento. Como resultado, los gluones dentro del núcleo parece un observador estacionario como "gluónico pared" viajar cerca de la velocidad de la luz. A muy altas energías, la densidad de los gluones en esta pared se ve a aumentar en gran medida. A diferencia del plasma quark-gluón producido en la colisión de estas paredes, el color de vidrio condensado describe las propias paredes, y es una propiedad intrínseca de las partículas que sólo pueden ser observados bajo condiciones de alta energía como los que en el RHIC, y posiblemente en el Large Hadron Collider también.

Plasma quark-gluón

Plasma quark-gluón es una fase en la que los quarks se vuelven libres y capaces de moverse de forma independiente en un mar de gluones, lo que es similar a las moléculas en átomos de división. Este estado puede ser brevemente alcanzable en aceleradores de partículas, y permite a los científicos observar las propiedades de los quarks individuales, y no sólo teorizan. Véase también la producción de extrañeza.

Materia débilmente simétrica: para un máximo de 10 a 12 segundos después del Big Bang, se unificaron las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas. Materia Totalmente simétricos: con capacidad para 10 a 36 segundos después del Big Bang, la densidad de energía del universo era tan alta que las cuatro fuerzas de la naturaleza - fuerte, débil, electromagnética y gravitacional - se cree que se han unificado en una sola fuerza . A medida que el universo se expandía, la temperatura y la densidad se redujo y la fuerza de la gravedad se separó, un proceso llamado ruptura de la simetría.

Plasma quark-gluón se descubrió en el CERN en 2000.

Estados de muy alta energía

La singularidad gravitatoria predicho por la relatividad general que existe en el centro de un agujero negro no es un estado de la materia, no es un objeto material en absoluto, sino más bien una propiedad del espacio-tiempo en un lugar. Se podría argumentar, por supuesto, que todas las partículas son propiedades del espacio-tiempo en un lugar, dejando una nota media de la controversia sobre el tema.

Otros estados propuestos

Materia degenerada

Bajo una presión extremadamente alta, la materia ordinaria sufre una transición a una serie de estados exóticos de la materia conocidos colectivamente como materia degenerada. En estas condiciones, la estructura de la materia es compatible con el principio de exclusión de Pauli. Estos son de gran interés para los astrofísicos, porque se cree que existen dentro de las estrellas que han agotado su fusión "combustible" nuclear, como las enanas blancas y estrellas de neutrones estas condiciones de alta presión.

Electron-materia degenerada se encuentra dentro de las estrellas enanas blancas. Los electrones se mantienen unidos a los átomos, pero son capaces de transferir a átomos adyacentes. Neutron-materia degenerada se encuentra en las estrellas de neutrones. Presión gravitacional Vasta comprime átomos tan fuertemente que los electrones se ven obligados a combinar con los protones a través de la desintegración beta inversa, lo que resulta en un conglomerado superdensa de neutrones.

Supersólida

A supersólida es un material espacialmente ordenados con propiedades superfluido. Similar a un superfluido, un supersólida es capaz de moverse sin fricción, pero conserva una forma rígida. Aunque un supersólida es un sólido, que exhibe tantas propiedades características diferentes de otros sólidos que muchos argumentan que es otro estado de la materia.

Líquido Cadena-net

En un líquido string-net, los átomos tienen disposición aparentemente inestables, como un líquido, pero siguen siendo coherentes en el patrón general, como un sólido. Cuando en un estado sólido normales, los átomos de la materia se alinean en un patrón de rejilla, de modo que el giro de cualquiera de electrones es lo contrario de la rotación de todos los electrones tocarlo. Pero en un líquido cadena-neta, los átomos están dispuestos en un patrón que requiere algunos electrones a tienen vecinos con el mismo giro. Esto da lugar a curiosas propiedades, así como apoyar algunas propuestas insólitas acerca de las condiciones fundamentales del propio universo.

Superglass

Un supercristal es una fase de la materia que se caracteriza, al mismo tiempo, por la superfluidez y una estructura amorfa congelado.

La materia oscura

Si bien se estima que la materia oscura que comprenden el 83% de la masa de la materia en el universo, la mayor parte de sus propiedades siguen siendo un misterio, debido al hecho de que ni absorbe ni emite radiación electromagnética, y hay muchas teorías en relación a cuál es la materia oscura realidad hecha de. Así, mientras que es la hipótesis de la existencia y comprenden la gran mayoría de la materia del universo, casi todas sus propiedades son desconocidas y una cuestión de especulación, ya que sólo se ha observado a través de sus efectos gravitatorios.