Que es Materia y Energía: Definición y los 5 Estados de la Materia

Que es Materia y Energía: Definición y los 5 Estados de la Materia

La ciencia física, que incluye la química y la física, se suele considerar como el estudio de la naturaleza y las propiedades de la materia y la energía en los sistemas no vivos. La materia es la “materia” del universo: los átomos, las moléculas y los iones que forman todas las sustancias físicas. La materia es todo lo que tiene masa y ocupa espacio.

La energía es la capacidad de causar cambio. La energía no puede ser creada o destruída; Solo se puede conservar y convertir de una forma a otra. La “energía potencial” es la energía almacenada en un objeto debido a su posición; por ejemplo, una cubeta de agua balanceada sobre una puerta tiene el potencial de caer. La “energía cinética” es la energía que está en movimiento y causando cambios. Cualquier objeto o partícula en movimiento tiene energía cinética basada en su masa y velocidad. La energía cinética se puede convertir en otras formas de energía, como la energía eléctrica y la energía térmica.

Las Cinco fases de la materia

Hay cinco fases o estados conocidos de la materia: sólidos, líquidos, gases, plasma y condensados ​​de Bose-Einstein. La principal diferencia en las estructuras de cada estado está en las densidades de las partículas.

Sólidos

En un sólido, las partículas se empaquetan muy juntas para que no puedan moverse mucho. Las partículas de un sólido tienen una energía cinética muy baja. Los electrones de cada átomo están en movimiento, por lo que los átomos tienen una pequeña vibración, pero están fijos en su posición. Los sólidos tienen una forma definida. No se ajustan a la forma del recipiente en el que se colocan. También tienen un volumen definido. Las partículas de un sólido ya están tan apretadas que la presión creciente no comprimirá el sólido a un volumen más pequeño.

Liquidos

En la fase líquida, las partículas de una sustancia tienen más energía cinética que las de un sólido. Las partículas líquidas no se mantienen en una disposición regular, pero aún están muy cerca unas de otras, por lo que los líquidos tienen un volumen definido. Los líquidos, como los sólidos, no se pueden comprimir. Las partículas de un líquido tienen suficiente espacio para fluir entre sí, por lo que los líquidos tienen una forma indefinida. Un líquido cambiará de forma para adaptarse a su recipiente. La fuerza se distribuye uniformemente por todo el líquido, de modo que cuando un objeto se coloca en un líquido, las partículas de líquido son desplazadas por el objeto.

La magnitud de la fuerza de flotación hacia arriba es igual al peso del fluido desplazado por el objeto. Cuando la fuerza de flotación es igual a la fuerza de gravedad que tira hacia abajo sobre la masa del objeto, el objeto flotará. Este principio de flotabilidad fue descubierto por el matemático griego Arquímedes que, según la leyenda, saltó de su baño y corrió desnudo por las calles gritando “¡Eureka!”

Las partículas de un líquido tienden a mantenerse por una atracción intermolecular débil en lugar de moverse libremente como lo harían las partículas de un gas. Esta fuerza cohesiva une las partículas para formar gotas o corrientes.

Los científicos informaron en abril de 2016 que habían creado un extraño estado de la materia., uno que había sido predicho para existir pero nunca visto en la vida real. Aunque este tipo de materia se puede mantener en la mano como si fuera un sólido, un acercamiento al material revelaría las interacciones desordenadas de sus electrones, más características de un líquido. En la nueva materia, llamada líquido de giro cuántico Kitaev, los electrones entran en una especie de danza cuántica en la que interactúan o “hablan” entre sí. Normalmente cuando la materia se enfría, el giro de sus electrones tiende a alinearse. Pero en este líquido cuántico de espín, los electrones interactúan de manera que afectan la forma en que los demás giran y nunca se alinean, sin importar cuán frío se ponga el material. El material se comportaría como si sus electrones, considerados indivisibles, se hubieran separado, informaron los investigadores el 4 de abril de 2016, en la revista Nature Materials.

Gases

Las partículas de gas tienen mucho espacio entre ellas y tienen una alta energía cinética. Si no están confinadas, las partículas de un gas se dispersarán indefinidamente; Si está confinado, el gas se expandirá para llenar su contenedor. Cuando un gas se pone bajo presión reduciendo el volumen del contenedor, el espacio entre las partículas se reduce y la presión ejercida por sus colisiones aumenta. Si el volumen del recipiente se mantiene constante, pero la temperatura del gas aumenta, la presión también aumentará. Las partículas de gas tienen suficiente energía cinética para superar las fuerzas intermoleculares que mantienen unidos a los sólidos y los líquidos, por lo que un gas no tiene un volumen definido ni una forma definida.

Plasma

El plasma no es un estado de materia común aquí en la Tierra, pero puede ser el estado de materia más común en el universo. El plasma está formado por partículas altamente cargadas con energía cinética extremadamente alta. Los gases nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) a menudo se utilizan para generar signos luminosos mediante el uso de electricidad para ionizarlos hasta el estado de plasma. Las estrellas son esencialmente bolas de plasma sobrecalentadas.

Condensados ​​de Bose-Einstein

En 1995, la tecnología permitió a los científicos crear un nuevo estado de la materia, el condensado de Bose-Einstein (BEC). Utilizando una combinación de láseres e imanes, Eric Cornell y Carl Weiman enfriaron una muestra de rubidiodentro de unos pocos grados de cero absoluto. A esta temperatura extremadamente baja, el movimiento molecular está muy cerca de detenerse por completo. Como casi no hay transferencia de energía cinética de un átomo a otro, los átomos comienzan a agruparse. Ya no hay miles de átomos separados, solo un “superátomo”. Un BEC se utiliza para estudiar la mecánica cuántica a nivel macroscópico. La luz parece disminuir la velocidad a medida que pasa a través de un BEC, lo que permite el estudio de la paradoja partícula / onda. Un BEC también tiene muchas de las propiedades de un superfluido: fluir sin fricción. Los BEC también se utilizan para simular las condiciones que podrían aplicarse en los agujeros negros.

Pasando por una fase

Agregar energía a la materia provoca un cambio físico: la materia se mueve de un estado a otro. Por ejemplo, agregar energía térmica (calor) al agua líquida hace que se convierta en vapor o vapor – un gas. Quitar energía también causa cambios físicos, como cuando el agua líquida se convierte en hielo, un sólido, cuando se elimina el calor. El cambio físico también puede ser causado por el movimiento y la presión.

Fusión y congelación

Cuando se aplica calor a un sólido, sus partículas comienzan a vibrar más rápido y tienden a separarse más. Cuando la sustancia, a presión estándar, alcanza un cierto punto, llamado punto de fusión- El sólido comenzará a convertirse en un líquido. El punto de fusión de una sustancia pura a menudo se puede determinar dentro de 0,1 grados C, el punto en el que las fases sólida y líquida están en equilibrio. Si continúa aplicando calor a la muestra, la temperatura no aumentará por encima del punto de fusión hasta que toda la muestra se haya licuado. La energía térmica se está utilizando para convertir el sólido en la forma líquida. Una vez que toda la muestra se haya convertido en un líquido, la temperatura comenzará a subir nuevamente. Los compuestos que de otra manera son muy similares pueden tener diferentes puntos de fusión, por lo que el punto de fusión puede ser una forma útil de distinguirlos. Por ejemplo, la sacarosa tiene un punto de fusión de 367 F (186.1 C), mientras que el punto de fusión de la glucosa es de 294.8 F (146 C). Una mezcla sólida, como una aleación de metal,

El punto de congelación es la temperatura a la cual una sustancia líquida se enfría lo suficiente como para formar un sólido. A medida que el líquido se enfría, el movimiento de las partículas disminuye. En muchas sustancias, las partículas se alinean en patrones geométricos precisos para formar sólidos cristalinos. La mayoría de los líquidos se contraen cuando se congelan. Una de las características importantes del agua es que se expande cuando se congela, por lo que el hielo flota. Si el hielo no flotara, no habría agua líquida debajo de una masa de agua congelada y muchas formas de vida acuática serían imposibles.

El punto de congelación suele ser casi la misma temperatura que el punto de fusión, pero no se considera que sea característico de una sustancia, ya que varios factores pueden alterarla. Por ejemplo, agregar sustancias disueltas, o solutos, a un líquido deprimirá el punto de congelación. Un ejemplo de esto es el uso de la suspensión de sal para bajar la temperatura a la que el agua se congela en nuestras carreteras. Otros líquidos pueden enfriarse a temperaturas muy por debajo de su punto de fusión antes de que comiencen a solidificarse. Se dice que dichos líquidos están “súper enfriados” y, a menudo, requieren la presencia de una partícula de polvo o “cristal de siembra” para iniciar el proceso de cristalización.

Sublimación

Cuando un sólido se convierte directamente en un gas sin pasar por una fase líquida, el proceso se conoce como sublimación. La sublimación ocurre cuando la energía cinética de las partículas es mayor que la presión atmosférica que rodea la muestra. Esto puede ocurrir cuando la temperatura de la muestra aumenta rápidamente más allá del punto de ebullición (vaporización instantánea). Más comúnmente, una sustancia se puede “liofilizar” enfriándola bajo condiciones de vacío para que el agua en la sustancia sufra sublimación y se elimine de la muestra. Algunas sustancias volátiles sufrirán sublimación a temperatura y presión normales. La más conocida de estas sustancias es el CO2 o “hielo seco”.

Vaporización

La vaporización es la conversión de un líquido en un gas. La vaporización puede ocurrir por evaporación o por ebullición.

Debido a que las partículas de un líquido están en constante movimiento, frecuentemente chocan unas con otras, transfiriendo energía cuando lo hacen. Esta transferencia de energía tiene poco efecto neto debajo de la superficie, pero cuando se transfiere suficiente energía a una partícula cerca de la superficie; puede ganar suficiente energía para eliminarse completamente de la muestra como una partícula de gas libre. Este proceso se denomina evaporación y continúa mientras haya líquido. Es interesante observar que un líquido se enfría a medida que se evapora. La energía transferida a las moléculas de la superficie, que causa su escape, se aleja de la muestra líquida restante.

Cuando se agrega suficiente calor a un líquido que forma burbujas de vapor debajo de la superficie del líquido, decimos que el líquido está hirviendo. La temperatura a la que hierve un líquido es variable. El punto de ebullición depende de la presión de la sustancia. Un líquido a presión más alta requerirá más calor antes de que se formen burbujas de vapor dentro de él. A grandes altitudes, hay menos presión atmosférica presionando hacia abajo sobre el líquido, por lo que hervirá a una temperatura más baja. La misma cantidad de líquido en el nivel del mar está bajo una mayor presión atmosférica y hervirá a una temperatura más alta.

Condensación y deposición

La condensación es cuando un gas se transforma en un líquido. La condensación ocurre cuando un gas se ha enfriado o comprimido hasta el punto donde la energía cinética de las partículas ya no puede superar las fuerzas intermoleculares. Un grupo inicial de partículas inicia el proceso que tiende a enfriar aún más el gas para que la condensación continúe. Cuando el gas se transforma directamente en un sólido, sin pasar por la fase líquida, se llama deposición o desublimación. Un ejemplo de esto ocurre cuando las temperaturas de congelación convierten el vapor de agua de la atmósfera en hielo o escarcha. La escarcha tiende a delinear las hojas sólidas de hierba y ramitas porque el aire que toca estos sólidos se enfría más rápido que el aire que no toca una superficie sólida.

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