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Universidad Nacional de Asunción. Facultad Politécnica.

Trabajo Práctico de Física 4. Estados de la Materia. Profesor: Lic. Jorge Antonio Jara Ávalos. Alumno: Oscar Daniel Aquino Velázquez. Carrera: Ingeniería Electrónica. 2015

Introducción. Los diferentes estados en que podemos encontrar la materia de este universo en el que vivimos se denominan estados de agregación de la materia, porque son las distintas maneras en que la materia se "agrega", distintas presentaciones de un conjunto de átomos. Como ya sabemos, MATERIA es todo aquello que nos rodea, todo aquello que tiene masa, peso y volumen, que es capaz de impresionar nuestros sentidos, siendo sus estados de agregación más conocidos: el sólido, el líquido y el gaseoso. Aunque ahora presentaremos dos posibilidades más, que son, el estado plasmático y el estado de Bose-Einstein. Los tres primeros son de sobra conocidos por todos y los encontramos en numerosas experiencias de nuestro día a día. El sólido lo experimentamos en los objetos que utilizamos, el líquido en el agua que bebemos y el gas en el aire que respiramos .El plasma es un estado que nos rodea, aunque lo experimentamos de forma indirecta. El plasma es un gas ionizado, esto quiere decir que es una especie de gas donde los átomos o moléculas que lo componen han perdido parte de sus electrones o todos ellos. Así, el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes y neutrones. ¿Dónde podemos incluir el condensado de Bose Einstein? En 1920, Santyendra Nath Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuándo dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que le apoyara a publicar su novedoso estudio en la comunidad científica y, además de apoyarle, Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos. Predijeron en conjunto el quinto estado de la materia en 1924.

Estados de agregación de la materia. En física y química se observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen. Estados de agregación, todos con propiedades y características diferentes, y aunque los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática, también existen otros estados observables bajo condiciones extremas de presión y temperatura.

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 definidas, 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.

Propiedades de los Sólidos:

Tienen alta densidad Al igual que los líquidos. Pueden sublimarse: De acuerdo a la temperatura que la sometan algunas partículas sólidas pueden ganar suficiente energía cinética para pasar directamente al estado gaseoso. No son expansibles a temperatura constante. Presentan volumen y forma definido: debido a que sus moléculas tienen fuerzas de cohesión muy grande

que los mantienen unidos. Presentan dilatación térmica: al incrementar la temperatura aumenta los espacios intermoleculares y ocupara mayor volumen. Presenta rigidez: No pueden fluir por lo tanto tratan de mantener su forma. Son incomprensibles: ya que presentan espacios intermoleculares muy pequeños.

Clasificación de los sólidos.

Sólidos cristalinos: Las partículas que los componen (iones, moléculas o átomos) se ubican en posiciones bien definidas, según patrones altamente regulares, generando una red tridimensional ordenada. Presentan: Caras (superficies planas) que forman ángulos definidos. Formas regulares. Propiedades (punto de fusión, dureza) con valores bien definidos. Algunas dependen dela dirección en que se miden.

Sólidos Amorfos: Las partículas que los componen no presentan una distribución ordenada. La magnitud de las fuerzas intermoleculares varía de un punto a otro del sólido. Las propiedades presentan rangos de variación según las diferentes zonas del sólido. No presentan punto de fusión definido. Carecen de forma y caras definidas.

Estado líquido.

Los líquidos están formados por sustancias en un estado de la materia intermedio entre sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Las moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisótropas (propiedades, como el índice de refracción, que varían según la dirección dentro

del material). Los líquidos presentan tensión superficial y capilaridad, generalmente se dilatan cuando se incrementa su temperatura y pierden volumen cuando se enfrían, aunque sometidos a compresión su volumen es muy poco variable a diferencia de lo que sucede con otros fluidos como los gases. Los objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un fenómeno conocido como flotabilidad.

Propiedades a nivel Molecular.

Entre sus moléculas existen un equilibrio entre las fuerzas de repulsión (fr) y las fuerzas de cohesión (fc): fr=fc. Poseen gran movimiento molecular: vibración y deslizamiento, por lo que poseen desorden molecular. Presentan un orden molecular de corto alcance. La energía cinética molecular media depende de la temperatura en forma directamente proporcional. .La entropía (grado de desorden molecular) es menor que en un gas y mayor que en un sólido.

Propiedades a nivel macroscópico.

Los líquidos poseen volumen definido y forma variable. Son isotrópicas, puesto que las propiedades físicas (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) es igual en cualquier dirección en que se midan. Es un estado intermedio entre un sólido cristalino y un gas. La compresibilidad es extremadamente pequeña, porque existen espacios muy pequeños entre sus moléculas. Con fines técnicos o prácticos se consideran incompresibles. El proceso de vaporización (Paso de líquido a vapor) es mucho más fácil que el proceso de sublimación (paso de solido a vapor) de los sólidos. Los líquidos posen fluidez, es decir, fluyen debido a una diferencia de presiones, lo que demuestra una gran movilidad de sus moléculas, por lo tanto, se les llama fluidos, al igual que los gases.

Propiedades intensivas de los líquidos. Presión de vapor de un líquido: Es la máxima presión que ejerce el vapor de un líquido a cierta temperatura. Calor molar de vaporización o entalpia de vaporizac ión (Hv): Es la cantidad de calor necesaria para vaporizar 1 mol-g de un líquido en su punto de ebullición a presión constante. Calor latente de vaporización: Es la cantidad de calor necesario para vaporizar completamente un Kg de un líquido, en su temperatura de ebullición. Temperatura de ebullición: Es la temperatura al cual hierve un líquido, se da cuando su presión de vapor es igual a la presión externa aplicada sobre su superficie libre. Viscosidad de los líquidos: Llamada fricción interna, indica la resistencia de un fluido a deslizarse, o resistencia al movimiento de los cuerpos en su interior.

Estado gaseoso. En el estado gaseoso las fuerzas entre las partículas son prácticamente nulas y éstas se pueden mover libremente y la distancia entre ellas es mucho mayor que en los estados sólido y líquido. Por ello, las partículas de los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente.

Propiedades generales de los gases. Pequeña densidad debido a que en virtud de la ausencia de cohesión entre sus moléculas estas se hallan muy alejadas unas de otras existiendo por ello muy poca masa en la unidad de volumen. Son perfectamente homogéneos e isótropos, es decir, tienen las mismas propiedades en todos sus puntos como consecuencia de la libertad de sus moléculas en todas las direcciones.

Tienden a ocupar el máximo volumen (expansibilidad) adoptan la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Son muy compresibles debido a la ausencia de fuerzas de repulsión entre sus moléculas. Se mezclan completamente y de manera uniforme cuando están en el mismo recipiente. Pequeña viscosidad aunque no nula ya que las acciones mutuas entre moléculas no son totalmente despreciables.

Teoría cinético-molecular de los gases. La teoría cinético-molecular ha resultado muy útil para explicar el comportamiento de los gases, los cambios de estado y otros fenómenos importantes. Las ideas principales de esta teoría son las siguientes: 

Los gases están formados por un número muy grande de partículas extremadamente pequeñas llamadas moléculas.



Las distancias entre las moléculas son muy grandes comparadas con el tamaño de las moléculas en sí y con las dimensiones del recipiente que las contiene.



Las moléculas están en movimiento rectilíneo en todas las direcciones y sentidos.



Las fuerzas de atracción o repulsión que ejercen las moléculas entre si son despreciables.



Durante su movimiento al azar las moléculas chocan entre sí y con las paredes del recipiente, este continuo

continuo

bombardeo de las paredes se conoce como presión del gas. 

Los choques de las moléculas entre sí y con las paredes del recipiente que los contiene son perfectamente elásticos, es decir, sin pérdida alguna de energía.

Gases reales y gases ideales. Gases reales: son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presión se comportan como gases ideales. Gases ideales: es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí.

El plasma

Al plasma se le llama a veces «el cuarto estado de la materia», además de los tres «clásicos», sólido, líquido y gas. Es un gas en el que los átomos se han roto, formado por electrones negativos e iones positivos (átomos que han perdido electrones y que están moviéndose libremente). En la baja atmósfera, cualquier átomo que pierde un electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) lo recupera pronto o atrapa otro. Pero a altas temperaturas, como en el Sol, 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, los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los

campos magnéticos. La lámpara fluorescente, muy usada en el hogar y en el trabajo, 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 otro, 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 usa en electrónica. Importante plasma en la naturaleza es la ionosfera (70–80 km encima de la superficie terrestre). Aquí los electrones son expulsados de los átomos por la luz solar de corta longitud de onda, desde la ultravioleta hasta los rayos X: no se recombinan fácilmente debido a que la atmósfera se rarifica más a mayores altitudes y no son frecuentes las colisiones. La parte inferior de la ionosfera, la «capa D» (70–90 km), aún tiene suficientes colisiones para desaparecer después de la puesta del sol. Entonces se combinan los iones y los electrones, mientras que la ausencia de luz solar no los vuelve a producir. Esta capa se reestablece después del amanecer. Por encima de los 200 km las colisiones son tan infrecuentes que la ionosfera prosigue día y noche. Existe el plasma interplanetario, el viento solar. La capa más externa del Sol, la corona, está tan caliente

que no solo están ionizados todos sus átomos, sino que aquellos que comenzaron con muchos electrones, tienen arrancados la mayoría (a veces todos), incluidos los electrones de las capas más profundas que están más fuertemente unidos. En la corona se ha detectado la luz característica del hierro que ha perdido 13 electrones. Esta temperatura extrema evita que el plasma de la corona permanezca cautivo por la gravedad solar y, así, fluye en todas direcciones, llenando el Sistema Solar más allá de los planetas más distantes. El Sol, mediante el viento solar, configura el distante campo magnético terrestre y el rápido flujo del viento (~400 km/s); proporciona la energía que alimenta los fenómenos de la aurora polar, los cinturones de radiación y de las tormentas magnéticas.

Características principales del plasma. Corresponde al estado de mayor temperatura, ocurre en el Sol y en las estrellas en general. En este estado, la energía cinética de las moléculas es tanta que se rompen en átomos; esto se da a una temperatura aproximada de 10.000ºK. Si la temperatura sigue en aumento, dichos átomos se ionizan en una mezcla de exceso de protones y otras veces en exceso de electrones. El Sol y las estrellas en general están constituidos por un estado plasmático. Este estado plasmático casi no existe a nivel Tierra. La aurora boreal se podría decir que es un estado plasmático. El plasma cumple un importante papel en la producción de materiales semiconductores, ya que permite grabar superficies, depositándose en materiales para alterar sus propiedades físicas.

En el laboratorio, el plasma es producido aplicando un campo eléctrico a un gas a fin de obtener electrones libres, y a través de choques, estos electrones entregan energía a los átomos del gas, desprendiéndose aún más electrones. Prácticamente el 98% de la materia se presenta en este 4º estado.

Condensado de Bose-Einstein. Fue el quinto estado en el que los científicos han descubierto que se puede observar la materia y están descritos por algunas de las características que adoptan las partículas atómicas que componen la materia, pudiéndose presentar en cinco formas distintos, dependiendo cada una de las condiciones de presión, temperatura y otras variables físicas a que sean sometidas, dentro de los estados más conocidos se encuentran el sólido, el líquido y el gaseoso, aunque existen otros dos: el plasma y el condensado de BoseEinstein o (cubo de hielo cuántico) como cariñosamente se le conoce también.

Origen.

Condensado de Bose- Einstein también se originó a partir de un gas, pero al que se enfrió a una temperatura cercana al cero absoluto. Los átomos de dicho gas perdieron entonces energía, frenándose y uniéndose entre sí, para dar origen a una especie de “superátomo”, mucho más denso que el estado sólido. Los científicos establecieron la existencia de un cuarto estado, al que bautizaron con el nombre de plasma, y

todo quedó en suspenso hasta que en la segunda mitad del 1995, se anunció la creación en laboratorio de un quinto estado, cuya existencia la habían predicho, en1925, el físico germano_ estadounidense Albert Einstein y su colega de la India Satvendra Nath Bose. Precisamente en honor de estos dos científicos, ese quinto estado en que se ha presentado la materia antes los ojos humanos ha sido bautizado como Condesado de Bose_ Einstein, aunque una parte de la comunidad científica mundial prefiere llamarlo “cubo de hielo cuántico”.

Método de obtención. El Condensado de Bose- Einstein existió en el laboratorio del Instituto nacional de Estándares y Tecnología, a la vista de sus creadores y de una cámara de vídeo, durante quince minutos, hasta que se derritió, de allí el nombre humorístico de “cubo de hielo cuántico¨. Quienes lo vieron dijeron que recordaba a una cereza con una picadura de insecto, salvo que su diámetro es de dos cien millonésimas de milímetro. Para crearlo, los doctores Eric Cornell y Carl Wieman se valieron de una nube de átomos de rubidio, cuya temperatura se bajó mediante la aplicación de una técnica conocida como enfriamiento láser y de dos campos magnéticos. Ello produjo una temperatura que nunca antes se había alcanzado en ningún laboratorio del mundo: 180 grados Nano kelvin (nK) o, lo que es lo mismo, una mil

millonésima de grados por encima del cero absoluto. (270°C)

Características. 1. Los átomos se encuentran todos en el mismo lugar, formando un superátomo. 2. Este estado, se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. 3. Propiedad que la caracteriza, es que una cantidad microscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. 4. El condensado es una propiedad cuántica que no tiene análogo clásico. 5. Por el principio de exclusión de Pauli, sólo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación.

Aplicación

Se espera que este hallazgo de un quinto estado de la materia pueda tener, en el futuro, aplicaciones prácticas en el campo de la electrónica y en el desarrollo de los relojes atómicos más preciosos que se hayan construido jamás.

Conclusión. Existen varios estados en los que se presenta la materia, cinco de los cuales son estos: Sólido, Liquido, Gaseoso, Plasma y Bosé-Einstein. Los tres primeros estados son los más comunes y estudiados dentro de la tierra, aunque es el estado de plasma el más común en el universo, ya que de este se componen las estrellas, por ejemplo, el quinto estado conocido como Bose-Einstein, es un estado de agregación nuevo en los registros de la ciencia, pero es tan frío y denso, que se logra cuando un elemento es enfriado a varios puntos bajo lo logrado habitualmente, consiguiendo incluso inmovilizar los átomos, según dicen los científicos.

Bibliografía.  Héctor Calfin. Estados de la materia y cambios que sufre. http://www.monografias.com/trabajos81/estadosmateria-y-cambios-que-sufre/estados-materia-ycambios-que-sufre.shtml  Ana 17 de Mayo de 2002. Los cinco estados de la materia. http://www.landsil.com/fisica/Materia1.htm  14 febrero 2014. Estado Consensado de BoseEinstein. http://www.fullquimica.com/2014/02/estadocondensado-de-bose-einstein.html  4 DE ABRIL DE 2008 00:00. Materia y sus estados de agregación en el Universo. http://www.abc.com.py/articulos/materia-y-sus-estadosde-agregacion-en-el-universo-1055452.html  Claudia Rodriguez Airac. Julio 05, 2012. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA. https://es.scribd.com/doc/99216311/62/VCONCLUSIONES