16.5: Líquidos, Gases y Plasmas

Si pones suficiente energía en un sólido, eventualmente se derretirá. En este punto, los átomos y moléculas en el sólido ya no se mantienen unidos en el cristal, la celosía u otra estructura. En cambio, tienen suficiente energía para romper cualquier enlace (covalente, iónico, o de otro tipo) que los mantenga unidos, y ahora pueden fluir más allá del otro. Los átomos y las moléculas todavía están agrupados en gran parte tan cerca como pueden ir, y todavía hay enlaces de una especie que mantienen los ampliamente unidos, pero ya no están fijados en su lugar. Tal estado se llamaría líquido.

Si elevas la temperatura de un líquido lo suficiente (hasta el “punto de ebullición”), y sigues agregando energía, puedes romper las fuerzas residuales que mantienen unido al líquido, y darle a cada molécula suficiente energía para que comience a rebotar libremente. Agrega suficiente energía, y el líquido se convierte en un gas. En este punto, cada molécula o átomo del gas se mueve libremente. Las moléculas chocan muy regularmente entre sí, pero ya no están en constante interacción como es el caso de un líquido.

En efecto, si investiga los estados de impulso y energía cinética disponibles para las moléculas en un gas, los estados están en su mayoría vacíos. A diferencia de los electrones de valencia en un sólido, que en su mayoría llenan los estados más bajos disponibles para ellos, hay muchos, muchos estados vacíos de menor energía por cada molécula de gas. Como tal, es fácil cambiar la energía de una molécula de gas por una fracción muy pequeña de su energía actual, ya que hay tantos estados vacíos alrededor. En este punto, se pueden aproximar los estados de energía disponibles como un continuo, y las moléculas de gas se comportan como partículas clásicas. Un gas tradicional es descrito por la distribución Maxwell Boltzmann, que especifica la fracción de moléculas de gas que se moverán a cualquier velocidad dada la temperatura del gas y la masa de cada molécula. Esta descripción se aplica al aire que nos rodea, al gas entre las estrellas, y al gas en atmósferas de estrellas.

Sólido, líquido y gas son los “tres estados de la materia” estándar. Si ionizas un gas —es decir, si arrancas un electrón de una fracción sustancial de los átomos de gas— se convierte en plasma, el cuarto estado de la materia. Debido a que las partículas individuales en un plasma están cargadas eléctricamente (ya sea iones positivos o electrones negativos), los campos eléctricos y magnéticos pueden influir en gran medida en el comportamiento de un plasma. Hay algunas formas de crear un plasma. Una es simplemente elevar la temperatura del gas lo suficientemente alta para que la energía cinética promedio de cualquier partícula sea lo suficientemente alta como para que las colisiones tiendan a ionizar las moléculas de gas. Otra es brillar radiación ionizante —generalmente radiación ultravioleta o de rayos X— en el gas. El gas interestelar alrededor de las estrellas jóvenes masivas suele estar ionizado principalmente como resultado de la radiación de esas estrellas, aunque la temperatura del gas en sí no es lo suficientemente alta como para mantener esa ionización. Una forma final de ionizar el gas es hacer pasar partículas de alta energía a través de él. Por ejemplo, si puedes disparar un haz de electrones a través de gas diluido, tenderá a ionizar el gas por el que pasa. Así es como se crean los tubos de descarga de plasma.