Si tanto el líquido como el gas son estados caóticos de la materia, ¿cuál es la diferencia entre ellos a nivel molecular?

Question

Soy lego en física y recientemente me encontré reflexionando sobre el asunto reflejado en el título de este post.

Para precisar mi pregunta desde el punto de vista matemático, supongamos que te dan una imagen en 3D de las posiciones momentáneas de los núcleos de todos los átomos de una sustancia monoatómica desconocida en un determinado volumen en un momento de tiempo. Al girar la imagen en un programa de visualización 3D, ves que las posiciones parecen bastante caóticas desde cualquier ángulo, a diferencia de una estructura cristalina. No se conoce la escala de la imagen ni ninguno de los parámetros, como la presión o la temperatura. La única información que te dan es que la sustancia no está ionizada y se encuentra en equilibrio termodinámico y en estado líquido o gaseoso y que la presión y la temperatura están por debajo de la presión crítica y la temperatura crítica, respectivamente. Puedes extraer las posiciones numéricas XYZ y hacer cualquier cálculo con ellas, pero, como ya se ha dicho, no conoces la escala. ¿Cómo puedes saber si es un líquido o un gas? ¿Qué criterio se puede utilizar para llegar a ese extremo?

Mi primera suposición fue que mientras un gas no tiene ninguna correlación entre las posiciones, un líquido sí, pero luego me di cuenta de que es una respuesta equivocada porque un gas no es necesariamente un gas ideal, así que no me queda claro cómo puedo saber si es un líquido o un gas si hay alguna correlación entre las posiciones en la imagen. Intenté encontrar la respuesta en Internet y en esta SE, pero no lo conseguí y espero humildemente que los expertos en física de esta SE puedan decirme la respuesta.

ACTUALIZACIÓN: Claro, los casos límite de un gas ideal y de un líquido apretado son fáciles, pero ¿qué hago en el caso general? En otras palabras, ¿cómo puedo deducir si es un líquido o un gas si la dispersión de las distancias entre los núcleos vecinos es moderada, es decir, ni muy pequeña ni muy grande?

Answer 1

Intentemos una respuesta más sencilla y menos técnica. Las moléculas se atraen entre sí. Eso es lo que hace que un sólido sea un sólido.

En un gas estas fuerzas de atracción son lo suficientemente débiles como para dejar que la muestra se extienda, mientras que en un líquido hay suficiente atracción entre todas las moléculas implicadas, que el conjunto permanece cohesionado, aunque las moléculas individuales vuelen unas junto a otras.

Answer 2

Sólo en principio: tenemos una imagen en 3D de

• posición de los núcleos de un gas o líquido monatómico desconocido,
• en equilibrio termodinámico, temperatura y presión por debajo del punto crítico,
• sin escala, sin presión, sin temperatura, sin velocidades.

En un líquido monatómico, los átomos (y, por tanto, los núcleos) están aproximadamente a la misma distancia (como si se "tocaran"), pero en un gas habría una dispersión significativa de las distancias entre los átomos. Con esto se puede hacer una estimación razonable de si se trata de un líquido o de un gas.

Answer 3

Lo que se busca es la tridimensionalidad Diagrama de Voronoi . No soy físico, pero es obvio para mí, como matemático, que un líquido tendrá una distribución muy diferente de los volúmenes de las celdas de Voronoi en comparación con un gas, en cualquier punto del tiempo. Supongo que debería ser fácil para ti realizar algunas simulaciones para averiguar cómo debería ser la distribución en cada caso. Y luego puedes aplicar herramientas estadísticas para determinar cuál se ajusta mejor a cualquier conjunto de datos.

Answer 4

¿Cómo se puede saber si es un líquido o un gas? ¿Qué criterio se puede utilizar para llegar a ese extremo?

El criterio que se busca es la magnitud de la densidad. Ese es el parámetro de orden en este caso. En algún punto del diagrama de fases la densidad cambiará en una gran cantidad, lo que indica una transición de fase. Si el cambio fuera discontinuo se hablaría de una transición de fase de primer orden. Toda la situación es muy análoga a la de un imán de Ising.

Por supuesto, el sistema debe tener un tamaño razonable para hacer afirmaciones sobre cantidades como ésta. Si sólo hay unas pocas moléculas, no podrás asignarles una fase definitiva. Lee sobre la teoría del campo medio, la teoría de Ginzburg Landau, la ruptura espontánea de la simetría,... Una gran referencia es el libro de Goldenfeld.

Answer 5

Empezaré por Buena respuesta de JJR4 . Además de estos bonitos gráficos, las fases del argón pueden cuantificarse un poco más. La función de distribución radial relaciona la densidad local con la densidad aparente:

$$g(r) = \frac{\rho(r)} {\rho_{bulk}}$$

Para el argón, la densidad local se puede modelar con la Sinc() para la función positiva

$x$ , $$ \rho(r) \propto \frac {\sin(k \cdot r)}{r}$$

Le site $k$ coeficiente puede pensarse como materiales la capacidad de las partículas para formar estructuras periódicas .

Ahora podemos clasificar las fases un poco más fácilmente:

• $k$ alto $\to$ sólido
• $k$ medio $\to$ líquido
• $k$ bajo $\to$ gas

Si se cuenta el número total de picos en un argón dado $g(r)$ Función RDF verá que:

$$ k_{\text{solid}} \approx 2\,k_{\text{liquid}} \approx 4\,k_{\text{gas}} $$

Así que volviendo a la pregunta, desde el gráfico de $g(r)$ se puede ver que un líquido tiene bajo y alto áreas de densidad local de partículas, mientras que un gas, tiene casi densidad local uniforme, es decir, las moléculas de gas no muestran casi ningún paquete de partículas.

Por cierto, como muchos han notado, tres fases materiales principales diferentes no significa que no pueda haber más fases; por supuesto que puede haberlas. Como los superlíquidos, el plasma (otro tipo de gas) y muchos más. Este hecho puede reflejarse en el $k$ coeficiente de variación uniforme.