¿Existe alguna diferencia inherente entre sólidos, líquidos y gases?

Question

Sé que a escalas muy grandes, los sólidos se comportan como líquidos, por eso los planetas son redondos, en lugar de tener protuberancias. También entiendo que puedes verter algunos gases y, si entiendo bien, que el aire alrededor de la Tierra es como una capa adicional de líquido, pero mucho más ligero. Todavía puedes ser aplastado por suficiente aire.

Esto me hace preguntarme, ¿son las diferencias entre sólidos, líquidos y gases una distinción humana que es simplemente útil bajo ciertas circunstancias comunes, o son conceptos realmente inherentemente diferentes?

Answer 1

En el caso de líquidos y gases, al menos, no hay una diferencia fundamental. Para ver esto, echa un vistazo al diagrama de fases del agua en Wikipedia.

Ignora las líneas punteadas por el momento, y nota que la línea entre vapor (vapor) y líquido se detiene en cierto punto, llamado el punto crítico. Lo que esto significa es que si sigues la siguiente secuencia de pasos, puedes convertir agua líquida en vapor sin notar un cambio repentino:

• aumentar la presión por encima del punto crítico (alrededor de 218 atmósferas), manteniendo constante la temperatura a un valor relativamente alto, pero menos de $100^\circ C$

• manteniendo la presión constante en $>218$ atm, aumentar la temperatura a más de unos $374^\circ C$

• reducir la presión nuevamente a 1 atmósfera o menos

• reducir la temperatura a algún lugar más cercano a $100^\circ C$.

Al hacer esto, pasas de la región marcada como "fase líquida" a la región marcada como "fase gaseosa" (o "vapor"), pero pasas alrededor del punto crítico, evitando así atravesar la transición de fase. Por lo tanto, nunca ves hervir el líquido, simplemente cambia gradualmente su densidad hasta convertirse en lo que normalmente llamamos gas.

Ahora, notarás que al hacer esto en realidad pasas varias de esas líneas punteadas, de modo que comienzas con un líquido, luego obtienes un líquido compresible, luego un fluido supercrítico, luego gas, luego vapor. Pero estas son, como dices, "distinciones humanas" - no hay un cambio directamente observable en el fluido cuando se pasa por las líneas punteadas, simplemente representan definiciones que a veces a las personas les resulta conveniente hacer.

Por lo tanto, para la transición de líquido a gas, es razonable decir que, aunque la transición de fase (ebullición o condensación) es una cosa real y medible, la distinción entre líquidos y gases no lo es.

Sin embargo, para líquidos y sólidos tiende a no haber un punto crítico - no hay un camino de uno a otro que no pase por la transición de fase. Entonces, en este caso hay más motivación para decir que realmente son distintos. Aunque dicho esto, si consideras mezclas de varios compuestos puede ser un poco menos claro. Algunas sustancias (quizás la mayoría) pueden ser un sólido en escalas espaciales pequeñas pero un fluido en escalas mayores - el manto terrestre siendo un buen ejemplo.

Así que básicamente creo que tienes razón. En algunos casos las distinciones son reales, y muy a menudo son distinciones útiles para hacer, pero a un nivel físico realmente fundamental es mucho más significativo hablar de transiciones de fase que de la realidad de los estados de la materia en sí mismos.

Answer 2

¿Hay alguna diferencia entre sólidos, líquidos y gases?

Lo anterior es el encabezado original de la pregunta y esta respuesta está dirigida a esa pregunta.

Lo anterior es una pregunta de alguien que tiene un conocimiento muy limitado de la física. ¿Sabías que toda la materia está compuesta por átomos y moléculas, que son combinaciones de átomos?

Estas son partículas diminutas, mucho más pequeñas que las motas de polvo que ves en la luz del sol, y tienen interacciones entre ellas que dependen de la proximidad que tienen entre sí y de las fuerzas atractivas variables que sienten entre sí, y en medidas termodinámicas macroscópicas como la temperatura y la presión y la fuerza gravitacional universal.

Estos son los diversos estados de organización que tienen los átomos y las moléculas :

Los sólidos están muy compactados como estructuras de lego, unidos por fuerzas electromagnéticas atractivas, llamadas genéricamente fuerzas de Van der Waals. Su temperatura se debe a vibraciones en su lugar. A medida que la temperatura aumenta, la energía cinética de cada átomo se vuelve más grande, pero aún existen las fuerzas atractivas entre ellos y obtenemos la fase líquida. Con temperaturas más altas, la energía cinética domina y los átomos/moléculas son libres de rebotar alrededor como un estado gaseoso. Incluso más alto y los electrones son expulsados de las colisiones entre átomos/moléculas y obtenemos plasma, donde hay electrones e iones, un cuarto estado.

Un sólido se comporta como un solo cuerpo bajo fuerzas, incluyendo las gravitacionales, aunque puede mostrar algo de elasticidad. Un líquido sigue el equipotencial del campo gravitacional Un gas está mucho más libre del campo gravitacional ya que puede moverse en tres dimensiones cediendo un poco de energía cinética contra la gravedad. Los efectos de la gravedad se pueden ver sobre volúmenes muy grandes, por ejemplo, átomos/moléculas ligeros que van hacia la parte superior de la atmósfera y los más pesados en la parte inferior.

Estas diferencias en el comportamiento de la materia han sido cuantificadas, y la transición entre fases se llama transición de fase.

y para diferentes tipos de átomos/moléculas existe el diagrama de fase

Un diagrama de fase típico. La línea punteada muestra el comportamiento anómalo del agua.

Por lo tanto, las fases de la materia están bien definidas y existe una teoría matemática, termodinámica, que describe su comportamiento muy bien.

Answer 3

Los estados sólido, líquido y gaseoso están bien definidos en casi todas las circunstancias. Que los planetas sean redondos no es una indicación de que los sólidos sean simplemente líquidos que se mueven muy lentamente. De hecho, los planetas se calientan mucho por dentro durante la formación, y el material mineral sólido se derrite. Actúa como líquido porque es líquido.

Los glaciares son más difíciles de explicar. Son sólidos, pero todos hemos visto fotos del Ártico y la Antártida con hermosos flujos de hielo entre grandes rocas. Partes de los glaciares realmente se derriten, y las partes sólidas pueden agrietarse, derretirse, congelarse de nuevo. (No soy lo suficientemente experto en hielo para entrar en detalles).

¿Se puede verter un gas? Bueno, un gas denso (o frío) puede verterse y asentarse en el fondo de un recipiente lleno de otro gas menos denso o más caliente. Todavía es gas, pero estamos viendo interacciones más complejas que requieren conceptos de energía, entropía y equilibrio. Agreguemos también difusión y transferencia de calor, solo por diversión. Los gases pueden hacer cosas interesantes, como crear todo tipo de clima.

Los líquidos van al fondo de un recipiente, mientras que los gases llenan todo. Pero al mezclar varias sustancias, hay que tener en cuenta las densidades, solubilidades, y demás. Aún así, las distinciones se mantienen. Sólido, líquido y gas están bien definidos.