PDF (Estados de la materia)

Se dice que un sistema físico es un cuerpo r í g i d o
cuando las distancias entre lae partículas del sistema no
cambian al transcurrir el tiempo aunque sobre él actúen
fuerzas externas. En otras palabras, un cuerpo se puede
considerar rígido si no se deforma bajo la acción de
fuerzas. En contraposición, un cuerpo déformable es un
sistema de partículas (discreto o continuo) en el cual las
distancias entre diferentes puntos cambiají con el tiempo si
hay fuerzas actuando sobre él.
4 . E S T A D O S
D E
L A
M A T E R I A
4.1 SOLIDOS
4-2 LÍQUIDOS
4.3 GASES Y PLASMAS
La sustancia,
la materia
que constituye nuestro
universo, se compone de unas 100 clases diferentes de
átomos, todos con mayor o menor movimiento -un número enorme
de diminutas formas complejas inmersas en un baile oculto y
sin fin-. Su número es tem sumamente grande, que si
tomáramos las moléculas contenidas en una cuchara soF>era de
agua (6.02*1023), y las pusiéramos en fila, cubrirían la
distancia al sol 1000 veces.
Los innumerables átomos, moléculas e iones del cosíaos
no se distribuyen en una nube uniforme; de alguna forma se
agrupan en estrellas, océanos, floreros y brisas frías. Bajo
la Influencia
de
fuerzas
eléctrlcaa,
estos
puntos
individuales submicroscópicos se combinan en incontables
billones para producir las aci^mu lae iones fauniliares que
percibimos en conjunto como materia.
Los tipos de átomos que se reúnen determinan la fuerza
de sus interacciones y éstas a su vez, definen la estructura
final de la sustancia en un ambiente dado. Si las fuerzas
entre las partículas son suficientemente fuertes, el grupo
de átomos,
como un
todo, m a n t e n d r á
s u forma y volumen (la
cantidad de espacio que ocupa). Esta es la característica
distintiva de un a ó l l d o - aparte del hecho de poder ser
denso o duro,o de poderlo sostener en la mano-. Un l i q u i d o
ae caracteriza por fuerzas de enlace más débiles que le
permiten fluir, tomando l a forma del r e c i p i e n t e que l o
c o n t i e n e , aunque
manteniendo un volumen c o n s t a n t e con
i n d e p e n d e n c i a de
su forma.
Si
las
fuerzas
son
aun
más
débiles,el material existe como un gaa; los átomos o
moléculas tienden a dispersarse, y la sustancia toma t a n t o
l a forma como e l volumen d e l r e c i p i e n t e que l o c o n t i e n e .
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Algunos materiales
pueden existir
como
sólidos,
líquidos o gases y cambiar fácilmente de una forma, o fase,
a otra, dependiendo de la temperatura y presión a la que se
encuentren. Mientras que a temperatura ordinaria el hierro
es sólido, en el centro de la Tierra está fundido, en forma
de gas en una explosión nuclear, e incluso como gioa
e l e o t r l f l c a d o o plaasta en una estrella. El HaO es un ejemplo
menos exótico, y existen muchos otros.
Las fases de la materia pueden distinguirse en un nivel
atómico en ftmción del movimiento y distribución de los
átomos que
constituyen la
sustancia. El
desorden y
movimiento internos aumentan progresivamente a medida que
una muestra se transforma primero de sólido en líquido y
luego en gas.
4.1 Sólidos
Los átomos, iones o moléculas de un sólido están en
movimiento vibratorio alrededor de puntos bien fijados y
próximos dentro de la sustancia. Cuando los átomos se
distribuyen en tma configuración tridimensional ordenada que
se repite una y otra vez, se dice que el sólido es
c r i s t a l i n o . La mayor parte de los minerales y todos los
metales y
sales existen
por lo menos en un estado
cristalino. Por otra parte, si una sustancia se compone de
átomos, iones o moléculas que no están dispuestos en una
configuración ordenada y repetitiva, se dice que el sólido
ee no cristalino o amorfo. El caucho, el alquitrán, la
resina, los plásticos y varios materiales vitreos suelen ser
de esta clase. Los átomos de los vidrios se disponen en una
malla irregular que carece de todo orden macroscópico y las
largas cadenas moleculares del caucho y los plásticos
recuerdan el enredado, avmque no tan caótico, de \in plato de
espagueti.
Es tipleo que los átomos de un sólido mantengan una
unión fuerte, dando lugar a algo con forma fija-aunque en
realidad no existe nada que sea de verdad inmutable,
incluyendo la forma. Los sólidos se expanden y contraen, oe
doblan, estiran y desgastan; algunos se descomponen e
incluso se evaporan. Los pequeños cambios son conotantos.
4.2 Líquidos
Cuando se calienta un sólido, sus átomos, iones o
moléculas oscilan entonces con más violencia on contra de
los enlaces que los mantienen unidos. Criando se alcanza el
punto de fusión de una sustancia determinada, los átomos
poseen la
energía suficiente para vencer loe enlaces
rígidos, deslizándose
fuera de
sus posiciones
fijas
primitivas,y se entremezclan. Persisten aún estructuras
compuestas por pequeños grupos de átomos unidos, aunque se
deshacen y vuelven a formarse de nuevo sin cesar. Existe aún
un orden, pero es un orden de corto alcance y variable; y
existe también
una
trama
de
fuerzas
de
cohesión
interatómicas, pero los átomos pueden desplazarse pese a
ellas.
En realidad, no hay muchos líquidos que se presenten en
forma natural en gran abundancia, aparte del agua y del
petróleo; la mayoría de los líquidos corrientes, como la
gasolina, la
trementina y el benceno, son sintéticos
-mientras que el mercurio puro es escaso en la naturaleza-.
Y es que para que una sustancia se preeente en estado
líquido, la temF>eratura debe ser "la Justa", o de lo
contrario, las fuerzas interatómicas son demasiado fuertes
(dando un sólido) o demasiado débiles (dando un gas). Puede
pensarse que los líquidos son estados de transición entre el
tumulto anárquico de los gases y la tranquila precisión de
los sólidos.
Por regla general, en los líquidos los átomos o
moléculas están sólo un poco más separados entre sí que en
el estado sólido, como indica el hecho de que la mayoría de
las sustancias tienen casi la misma densidad en ambas fases.
4.3 Gasee y plasmas
Los gases son materia en libertad -partículas que se
mueven casi sin impedimento-, cuyos átomos (o moléculas)
poseen energía de movimiento suficiente para vencer la trama
de fuerzas enlazantes, para desplazarse unas respecto a
otras sin
atraparse, sin
condensarse en líquido. La
distancia entre lae moléculas, en condiciones normales de
temperatura y presión, aunque cambia sin cesar, parece ser
unas
10
veces
el
tamaño
de
las
mismas
moléculas-aproximadamente 3*10-® m-.
Sus propiedades
permiten a
los gases
mezclarse
rápidamente, ocultando su individualidad. Por ser los gases
mucho más sutiles que los sólidos y líquidos, nadie hasta ol
siglo XVII se dio cuenta de que había diferentes tipos de
sustancias parecidas al aire. Alrededor de 1620,el místico y
alquimista belga Johann Baptista van Helmont transmutó la
palabra griega chaoa al flamenco. El resultado fue la
palabra g a a , que es un caos bullicioso.
Un plasma es un gas que se carga o ioniza en cierto
grado; es vm conjunto de iones, electrones y partículas
neutras que actúan en concierto. En general, los plasmas
están bastamte calientes (aunque no tienen porqué estarlo
siempre); tanto, que por debajo de un millón de grados o
algo así,
se dice
que un
plasma está
"frío". La
característica que separa al estado de plasma de los deoiás
es su comp>ortamiento colectivo, resultante de la interacción
de y con sus cargas. Así, un plasma actúa como un todo
cohesionado que
puede ser manipulado aplicando campos
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eléctricos y
magnéticos. Los
haces de plasma pueden
lajizarse, calentarse, comprimirse e inclusive confinarse en
trayectorias especificas.
Aunque el plasma no es demasiado abundante en la
Tierra, con toda probabilidad el 99.9% de toda la materia
del universo
se encuentra
en el cuarto estado. Las
incontables estrellas
(del orden de 1022), incluyendo
nuestro Sol, son brillantes bolas de plasma a temperaturas
de millones de grados. El espacio planetario e interestelar
contiene tenues cortinas de plasma y el "viento solar" es
una faja de plasma que baña los planetas. La ionosfera
terrestre es un plasma frío y débil que aparece bastante
ionizado más allá de los 60 km, no por colisiones térmicas,
sino por la radiación ultravioleta del Sol. Hay plasmas
sintéticos por todas partes, desde las llamativas luces de
neón y lámparas fluorescentes hasta las luces blancoazuladas de vapor de mercurio y amarilla del vapor de sodio.
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5 . E S P A C I O ,
E N
T I E M P O
M E C Á N I C A
Y
M O V I M I E N T O
NEV/TONIANA
Estamos familiarizados
con el
movimiento en sus
diversas manifestaciones, pero cómo lo definiríamos? Lo más
probable es que hiciéramos una afirmación en la cual la
expresión "un cambio de posición con el tiempo", o algo
equivalente, expresara la idea central. Pues parece que
nuestra capacidad para dar una explicación precisa del
movimiento depende esencialmente del uso de los conceptos
separados de espacio y tiempo. Decimos que un objeto se esté
moviendo cuando ocupa diferentes posiciones en diferentes
instantes, y cualquier fotografía estroboscópica da una
expresión vivida de este cuadro mental.
Todos hemos crecido siendo buenos Newtoniamos en el
sentido de que nuestras ideas sobre espacio y tiempo están
muy en armonía con las de Newton mismo. Los siguientes
párrafos son un intento deliberado de expresar estas ideas
en términos simples. La descripción puede parecer natural y
plausible, pero incorpora muchas nociones que, en un examen
más riguroso, serían ingenuas, y difíciles o imposibles de
defender. De modo que los párrafos siguientes (encerrados
entre corchetes para enfatizar su carácter provisional) no
deben aceptarse en su valor literal y deben ser leídos con
un saludable toque de escepticismo.
[El e a p a c l o , desde el punto de vista de Newton, es
absoluto, en el sentido de que existe permanentemente e
independientemente de que haya materia en el espacio o
moviéndose en él. Para citar las propias palabras de Newton