Agregando estados a los estados agregados de la materia

Tras un breve periodo de inactividad en el que nos hemos marchado con nuestros átomos de vacaciones, volvemos a la carga con renovadas fuerzas. En esta nueva entrega me gustaría hablaros de los estados de la materia, o estados de agregación de la materia, como normalmente se los denomina, ya que son muestras de cómo la materia se “agrega” y se nos presenta.

De pequeños nos enseñan que los estados de la materia son tres: sólido, líquido y gaseoso. Y de pequeño nos parece que son suficientes y que pueden describir todo aquello que observamos. Pero en la vida real las cosas nunca son tan sencillas. Se han descubierto algunos nuevos estados que no son tan fácilmente observables. Veamos…

Aunque en nuestra vida cotidiana podemos encontrarnos materiales en cualquiera de los tres estados anteriores, estos no son más que casos particulares de combinaciones de determinados materiales con determinados valores de presión y temperatura. Pero, en principio, cualquier material puede presentarse en cualquiera de estos tres estados si se dan las condiciones necesarias para ello. Por ello vamos a partir del estado sólido y veamos qué ocurre si modificamos sus condiciones.

Los materiales se nos presentan en estado Sólido cuando las fuerzas de atracción entre sus moléculas son mayores que las fuerzas que intentan separarlas (movimiento atómico). Esto provoca que las moléculas individuales no puedan moverse libremente, sino que quedan “encajadas” entre otras, presentando un aspecto inmóvil e indeformable. O lo que es lo mismo, poseen forma y volumen constantes. De esta forma, las partículas de un material sólido no pueden trasladarse a lo largo del material, sino que tan sólo pueden vibrar en sus posiciones.

Estado sólido

Material en estado sólido

Recordemos ahora que la temperatura es una medida del movimiento de los átomos que componen un sistema (su energía). De esta forma si aumentamos la temperatura del sistema lo que estaremos haciendo en realidad es provocar un mayor movimiento de dichos átomos.

Pues bien si aumentamos lo suficiente la temperatura de un material, sus átomos ahora se moverán tan deprisa que la fuerza que los mantenía unidos no será suficiente para mantener una estructura rígida. Los átomos, entonces, podrán trasladarse con relativa independencia a lo largo de todo el material. El material se encuentra ahora en estado Líquido. Los líquidos se caracterizan por tener volumen constante, pero no ocurre lo mismo con su forma, ya que adquieren la del recipiente que las contiene. En función de la capacidad de sus partículas para desplazarse entre ellas se definirán propiedades como la fluidez o la viscosidad.

Los tres estados fundamentales de la materia

Los tres estados fundamentales de la materia

Si seguimos aumentando la temperatura llega un momento en el que la fuerza que une sus moléculas es tan débil (en comparación con el movimiento atómico) que sus partículas pueden moverse libremente por todo el volumen en el que están contenidas. El material se encontrará entonces en estado Gaseoso, que se caracteriza por  no tener forma ni volumen fijos. Sus partículas se mueven a gran velocidad ocupando todo el espacio disponible pero dejando mucho espacio vacío entre ellas. Esto explica propiedades como la compresibilidad y la expansibilidad (debemos notar que la compresibilidad tiene un límite, y es que si comprimimos mucho un material en estado gaseoso, éste pasará de nuevo a estado líquido).

Y esto es lo que a todos nos suena, ¿verdad? Bien. Veamos un poco más…

Ahora que se han puesto tan de moda las televisiones de Plasma a todos nos suena esa palabra, pero no todo el mundo sabe lo que es ni lo conoce como el cuarto estado de la materia.

Para explicarlo volvamos a nuestro material a alta temperatura que hemos convertido a estado gaseoso. Si seguimos aumentando su temperatura (Ahora sus átomos chocan entre sí con mucha mucha violencia), llega un momento en el que la materia se “rompe”. Los electrones son arrancados de sus órbitas quedando (iones) una sopa densa y muy caliente de núcleos atómicos y electrones libres. Y este es el estado denominado plasma.

Plasma solar

Los núcleos solares están formados de plasma

Pero este es un estado raro ¿no? No debe de ser fácilmente observable y debe de ser un estado de la materia poco abundante ¿verdad? Pues no. En realidad el plasma es el estado de la materia más abundante en el universo, siendo un 99% de toda la materia. El núcleo de las estrellas (esto es mucha materia), los fluorescentes o incluso el fuego (sí, sí, el fuego!) se encuentran en estado de plasma.

Una de las propiedades interesantes del plasma es su alta conductividad, al contrario que en los gases fríos. Por ello son utilizados para el alumbrado en los tubos fluorescentes, que son más eficientes que las bombillas de tungsteno habituales.

Muy bien, hemos visto un estado de la materia que no conocíamos ¿Y ahora? Pues la cosa no acaba aquí, vamos a seguir investigando…

Hasta ahora hemos ido aumentando cada vez más la temperatura de nuestro material, es decir, le hemos estado aportando energía. Pero ¿qué ocurre si en lugar de aportarle energía se la quitamos? Lógicamente volveríamos a pasar de nuevo por los estados anteriores en orden inverso. Pero si aún en el estado sólido siguiésemos quitándole energía a nuestro sistema hasta acercarnos al cero absoluto ¿qué ocurriría?

Recordemos, antes de nada, qué es el cero absoluto. Tal y como hemos dicho antes, la temperatura de un cuerpo es una medida del movimiento de sus átomos. A mayor temperatura, mayor es su movimiento, y viceversa. De esta manera, el cero absoluto es el punto en el que hemos disminuido tanto la temperatura que los átomos se encuentran completamente parados. Esta temperatura es de -273,15 ºC ó 0 Kelvin, y es el límite inferior para la temperatura. No puede haber ninguna temperatura inferior a ésta, puesto que los átomos no pueden reducir aún más su movimiento.

Pues bien, si le quitamos tanta energía a nuestro sistema como para acercarnos al cero absoluto, determinados materiales cambian a un estado conocido como Condensado Bose-Einstein. Y digo determinados porque no todas las partículas pueden alcanzar este estado. Tan sólo pueden estar en este estado los bosones ¿Qué significa esto? Pues que es un estado de la materia más extraño que los que hemos visto hasta ahora.

Condensado Bose-Einstein

Firma de temperatura de condensado Bose-Einstein

En la naturaleza las partículas pueden dividirse en dos grupos, fermiones y bosones. Los primeros son las partículas de materia (protones, neutrones, electrones…) y se caracterizan por tener espín semi-entero. Los segundos son las partículas portadoras de interacción (gluón, fotón, fonón, bosón de Higgs…) y se caracterizan por tener espín entero. Este segundo grupo, los bosones, además, se caracteriza por no cumplir el Principio de Exclusión de Pauli, que establece que no puede haber varias partículas con todos sus números cuánticos iguales. No entraremos en más detalles acerca de los números cuánticos y diremos únicamente que se refiere a que no puede haber varias partículas con el mismo estado cuántico.

Dado que los bosones son partículas que NO cumplen el Principio de Exclusión de Pauli empezamos a ver por qué puede ser especial este estado de la materia. Y es que es algo curioso, porque al acercar la temperatura de nuestro material al cero absoluto nuestras partículas dejan de comportarse como partículas individuales y se comportan como una única partícula, ya que el estado cuántico de todas ellas es el mismo.

Explicando esto mediante el Principio de Incertidumbre de Heisenberg (que dice, básicamente, que no se pueden determinar con la misma precisión la velocidad y la posición de una partícula. A mayor precisión en una de ellas, menor precisión en la otra) podríamos decir que ya que la velocidad de todas las partículas está muy bien definida (velocidad cero) la indeterminación en su posición debe de ser enorme, pero igual en todas ellas, de manera que no nos será posible distinguir un único átomo. Dado que la probabilidad de posición de todas ellas es la misma, nos hacemos a la idea (haciendo una analogía desde nuestro punto de vista clásico) de que todas están en la misma posición. En realidad, desde un punto de vista cuántico (no clásico) esto es algo más complicado, pero nos vale para hacernos una idea.

Incertidumbre en la posición

Incertidumbre en la posición

Vale, vale, pero…  ¿y esto para qué sirve? Pues veréis, los condensados pueden tener algunas características muy peculiares. Por ejemplo, la Superconductividad es un ejemplo de condensado, que se caracteriza por la ausencia de resistencia eléctrica (video). La superfluidez es otro ejemplo de condensado, que se caracteriza por la ausencia de viscosidad. Y estas propiedades pueden sernos muy útiles para determinadas cosas, como buscar grietas o pequeñísimos agujeros en materiales mediante superfluidez (video).

Relacionado con este estado de la materia está el Condensado Bose-Einstein fermiónico, que como su nombre indica está formado por fermiones y no bosones y es considerado el sexto estado de la materia. La particularidad de este condensado es que los investigadores que lo consiguieron crear utilizaron campos magnéticos controlados para poder ajustar pares de fermiones con características similares a los bosones y así poder conseguir el condensado.

Pares de fermiones

Pares de fermiones para Condensado Bose-Einstein Fermiónico

Bueno, bueno, menudo tostón, ¿Hemos acabado ya? Pues no. Recientemente se ha descubierto un nuevo estado de la materia, esta vez a niveles muy muy altos de energía, que los científicos han denominado Plasma Gluón-Quark. La transición ocurre a temperaturas alrededor de cien mil millones de grados y consiste en que se rompen las fuertes ligaduras que mantienen unidos los quarks dentro de los núcleos atómicos. Los protones y neutrones están formados, cada uno, por 3 quarks que se mantienen unidos gracias a los gluones (El gluón es la partícula portadora de interacción nuclear fuerte, fuerza que mantiene unida los núcleos atómicos). A temperaturas superiores se vence la fuerza nuclear fuerte y los protones y neutrones se dividen, formando esta sopa denominada plasma Gluón-Quark.

Tres quarksQuarks

Por último, también hay bastante controversia acerca de si existe o no otro estado de la materia denominado Supersólido en el que se enfría un material (los experimentos se han llevado a cabo con Helio-4) casi hasta el cero absoluto (por lo tanto es otro condensado) y éste se comportaría a la vez tanto como sólido como un superfluído. Se siguen realizando experimentos ya que no todos los científicos están de acuerdo con que dicho estado de la materia sea real. Si se demostrara su existencia se habrían encontrado estados condensados de los tres tipos de estados originales: gaseoso, líquido y sólido.

Bueno, parece que la realidad es un poquito más complicada que como nos la pintaban en el colegio ¿verdad? Y si tenemos en cuenta que esa es sólo la parte que conocemos…

Con esto terminamos nuestra entrega de hoy, ya podéis poner a enfriar vuestros cerebros ultracalentados, consiguiendo un nuevo condensado que pueda dar origen a un nuevo estado agregado de la materia.

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29 Responses to Agregando estados a los estados agregados de la materia

  1. PitCantropus dice:

    ¡Me alegro de volver a leerte por vuestro lar en la red!

    Me ha encantado el artículo, muy wikipédico, y me ha recordado al laaargo trabajo que tuve que hacer en Física de Suelos sobre interacciones de fase en medios porosos.

    Tema interesante el de los estados de la materia, con curiosidades muy blogeables: sobrefusión, fluidos no newtonianos, nucleación (harto acabé de la nucleación en Meterología)…

  2. Sheldon dice:

    El placer es mío de tenerte de vuelta por nuestro pequeño rincón en la red de redes, PitCantropus. Muchas gracias.

    Espero que en tu trabajo de Fisica de Suelos no tuvieseis que practicar con alguno de los plasmas “calentitos”, XD, que si bien debe de ser muy interesante no creo que resulte sencillo, jeje.

    Hablando de fluidos no newtonianos… os dejo un enlace a un artículo que habla de una funda para el iphone que os va a impresionar (Gracias Roberto).

    Un saludo!

  3. Sloy dice:

    Me ha encantado el artículo, muchas cosas no las sabía. Pero me surge una duda. Dices que el fuego se encuentra en estado de plasma, pero entonces… ¿el fuego es materia? Siempre he tenido entendido que no, pero me vendría bien una pequeña aclaración.
    Un saludo.

  4. Sheldon dice:

    Muchas gracias Sloy, y bienvenido! Pues mira, la verdad es que, como en muchas otras cosas, los científicos tampoco se ponen del todo de acuerdo en si el fuego es realmente un plasma o no. Cada uno defiende su postura y no acaban de decidirse. Lo que sí está claro es que el fuego ordinario está, al menos, en el límite de la definición de plasma.

    El plasma puede describirse, muy básicamente, como un gas ionizado. Una sopa en la que se mueven libremente los núcleos atómicos y los electrones.

    El fuego, mediante su reacción química, produce estos iones pero, he aquí el quid de la cuestión, ¿se generan en suficiente cantidad como para ser considerado plasma? Ciertamente, la cantidad de iones que podemos encontrar en el fuego es muy baja en comparación con la que hay en el núcleo de nuestro Sol (del que no se duda que sea plasma) y esto explica por qué el fuego no es buen conductor cuando, como hemos dicho en el artículo, esa es una de las características de los plasmas.

    Pero a favor de nuestra pequeña llamita terrestre podemos decir que a la vez que se producen estos iones, debido a un efecto de convección estos tienden a subir y alejarse. Esto produce que las partículas se enfríen (perdiendo energía) y provocando que se recombinen, capturando de nuevo electrones que ya no pueden perder. Por esto, el fuego está debilmente ionizado. Por último, se dice que un plasma está caliente si está casi completamente ionizado, y frío si sólo lo está una pequeña parte de él. De esta forma podemos catalogar al fuego como plasma frío.

    Como curiosidad te enlazo a este video en el que un chico “genera” plasma con una cerilla y un microondas (Ojo! NO hacerlo en casa, eh? Como veis el recipiente de cristal se rompe!). Lo que está ocurriendo en él es que se genera nuestro “plasma frío” con la cerilla, pero al taparlo y aplicarle un campo magnético, conseguimos aportar energía a los átomos recombinados para que puedan volver a ionizarse, al contrario que lo que ocurría en nuestro fuego ordinario.

  5. Sloy dice:

    Gracias por responderme. Ahora ya me queda más claro el tema.
    Un saludete.

  6. [...] Agregando estados a los estados agregados de la materiawww.atomosybits.com/2009/09/02/agregando-estados-a-los-estad… por eboke hace pocos segundos [...]

  7. me dice:

    Si que había oído del estado de plasma, pero en la escuela pasamos de puntillas sobre el

  8. hola.soy angela paola tengo 10 años y los quiero conocer soy nueba en bogata

  9. mittzy dice:

    hola como estan

  10. guillermo moisés rubio romero dice:

    me gusto mucho ya que todo es reciente

  11. Lizmar dice:

    hola soy de Puerto Rico y su informacion esta muy bien detallada excelente ayuda para mi hija de 9 a^os. gracias

  12. Sheldon dice:

    Gracias @Lizmar, nos alegramos mucho de haberos sido de ayuda. Vuelve cuando quieras! Un saludo.

  13. junior dice:

    que sucede con la temperatura para que el agua pase al estado solido

  14. Sheldon dice:

    Junior,

    ocurre al contrario de como se dice en el artículo. Para que el agua pase a estado sólido se le quita temperatura, de esta manera la fuerza que une sus moléculas cobra más fuerza (la temperatura es movimiento de partículas, al estar más frío hay menos movimiento) y las partículas se mantienen en posiciones “fijas”, dándole al fluido un aspecto sólido, el hielo.

    Un saludo.

  15. María dice:

    Yo digo que el fuego si pertenece al cuarto edo. de la materia, plasma. Pues el cuarto edo. se considera el edo. iónico de la materia y el fuego contiene iones, por lo que esta particularidad le hace pertenecer al plasma, al igual que nuestro torrente sanguíneo, debido a la cantidad de cationes y aniones que contiene.

  16. KERENFROS dice:

    QUE IMPRECIONANTE LOS ESTADO DE LA MATERIA

  17. ¿Puede considerarse un ESTADO DE LA MATERIA a la energía que constituyen las abstracciones?
    ¿Cual sería el nombre de su estado y naturaleza?
    Como ejemplo: ¿Estado de la materia de los MEMES?
    Un abrazo fraternal.

  18. samuel dice:

    buena informacion

  19. [...] y queréis saber qué es eso del plasma, podéis leer un poco más acerca de ello en el artículo agregando estados a los estados agregados de la materia). Vaaale, vaaaale, ya sé que sólo es ficción, así que [...]

  20. [...] tiempo que hablamos acerca de los estados de agregación de la materia. En aquel artículo vimos como poco a poco el estado de la materia se iba modificando en función [...]

  21. Anónimo dice:

    este tema es muy bueno para toda las personas

  22. anonimo tutu dice:

    aburrido esto cancélenlo mejor el face

  23. marisa dice:

    qqe bueno qe aya nuevos esetados de la materia =)

  24. marisa dice:

    mmm o.O cuales son ??? los nuevos estados de la materia puede ser qe sean ATOMOS Y BITS ??¿¿

  25. tonta si son esos =) buurraaaaaaaaaaaa!!!!!!!!!!!!!!

  26. tonta si son esos =) buurraaaaaa!!!!!!!

  27. marisa dice:

    bue tonta no espara tanto

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