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

No creo que haya una respuesta incorrecta en este caso, pero me gustaría ofrecer una sencilla.

En un gas, el ruido térmico es el factor dominante que rige el movimiento. En un líquido, el factor dominante son las fuerzas intermoleculares.

Debido al gran número de moléculas implicadas y a la teorema del límite central Esta transición es bastante brusca.

Si se va al extremo, se encuentran cosas como los fluidos supercríticos que no actúan ni como gases ni como líquidos, por lo que es muy razonable esperar que esta simple regla se desmorone en los extremos. De hecho, todas las reglas se desmoronan, por lo que tuvimos que crear un nuevo nombre para los fluidos supercríticos e identificar sus diferentes comportamientos.

Si se examina precisamente el punto de ebullición de un líquido, se comprueba que la suposición de que todo es homogéneo y, por tanto, puede describirse como "líquido" o "gas", se vuelve turbia. Todas las reglas se desmoronan también en este caso.

Answer 2

La diferencia está en el nivel de orden. Cuando los físicos hablan de un sólido significan un cristal es decir, una fase de la materia caracterizada por un orden de largo alcance Una estructura cristalina que se extiende por miles y miles de átomos. Los átomos de un cristal se mueven alrededor de sus posiciones, pero no van demasiado lejos, y esto es claramente discernible en los experimentos de difracción.

Gas es el caso contrario: los átomos son dispersos, es decir, las distancias entre ellos son enormes, y se mueven de forma caótica e independiente unos de otros.

En un líquido los átomos están lo suficientemente cerca unos de otros como para que su movimiento no sea independiente: el desplazamiento de un átomo afecta claramente al movimiento de sus vecinos, pero no a los vecinos situados a muchos miles de distancias interatómicas. Y, a diferencia de lo que ocurre en los sólidos, los átomos no se mueven en posiciones fijas y con el tiempo pueden alejarse bastante.

No obstante, cabe señalar que lo que puede parecer una sólido para un lego en la materia suele ser un líquido que se mueve muy lentamente. Sin embargo, lo que dije sobre los líquidos sigue siendo correcto, si los observas durante el tiempo suficiente (años o décadas).

Answer 3

Se toma el volumen de la sustancia dividido por el número de moléculas. Ahora toma varias regiones cuyo volumen sea igual a diez veces esa cantidad. Para cada una de ellas, mide el número de moléculas que hay en su interior. A continuación, traza una distribución.

Para un gas ideal, la probabilidad de que haya una molécula en una región es independiente de que haya una molécula en una región adyacente. Se puede obtener un cúmulo de muchas moléculas o un gran vacío sin moléculas. Por ello, la distribución será bastante amplia, con sólo un 1/8 de posibilidades de que sea exactamente diez. Sin embargo, en el caso de un líquido, la presencia de una molécula en un lugar afectará a la probabilidad de tener una en otro lugar, y la distribución será más ajustada, y el pico en diez será mucho más nítido.

Answer 4

"Soy un lego en física y recientemente me encontré reflexionando..."

Dado que has articulado tu consulta con tanta claridad a pesar de esta autoevaluación, todos deberíamos esperar a las preguntas que hagas cuando ya no seas un lego en física.

$(0)$ Empezaré diciendo que, en mi opinión, la primera parte de la respuesta de @knzhou es correcta. La razón por la que tiene problemas para trazar una línea entre lo que es un líquido y qué es un gas es que no hay uno; ambos son fluido (cosas que pueden flujo ). Esta es la consecuencia macroscópica del hecho microscópico de que los componentes subyacentes están en un estado de movimiento caótico.

Hay varias maneras de ver que la distinción entre líquido y gas es un artificial una, pero, en la mayoría de los casos, la distinción entre fluido y sólido es algo que es muy claramente definido (en términos de macroscópico, observable criterios). A continuación, enumero los que se me ocurren. No me sorprendería que hubiera más:

$(1)$ Variables relevantes y ecuaciones de movimiento: Todos los fluidos se caracterizan por ser fluidos. Es decir, en cada punto del material, se puede asignar una velocidad del material $v$ que se interpreta como la velocidad de flujo (definida localmente) del material. Las ecuaciones de movimiento (es decir, las ecuaciones que rigen la evolución en el tiempo de un general, no -estado de equilibrio) para cualquier fluido implica $v$ y las variables termodinámicas locales (densidad, presión, temperatura, etc.).

Por ejemplo, el Ecuaciones de Navier-Stokes describirá tanto los líquidos como los gases. Lo que cambiará entre los líquidos y los gases son los coeficientes que entran en la ecuación, por ejemplo, los coeficientes de viscosidad, etc. Pero el formulario de las ecuaciones siguen siendo las mismas. Por lo tanto, la diferencia entre el líquido y el gas es simplemente una cuantitativo uno, visto desde este punto de vista.

En cambio, la fase sólida será descrita por deformaciones elásticas (en contra del flujo). La forma de las ecuaciones de movimiento de un sólido será cualitativamente diferentes de las ecuaciones de movimiento de un fluido.

$(2)$ Las simetrías obedecen: Los fluidos obedecen continuo simetría de traslación. En el caso de muchos fluidos (por ejemplo, el agua), condensación implica explícitamente rompiendo de esta simetría, ya que el fluido se asienta en un cristal (llamado "hielo" para el agua). El hecho de que el hielo sea un cristal implica que obedece discreto simetría de traslación.

Esto es, una vez más, un ejemplo de distinción cualitativa entre sólido y fluido. Una vez más, no hay posibilidad de establecer ninguna diferencia cualitativa de este tipo entre líquido y gas, porque ambos obedecen a simetrías idénticas.

Debo añadir (y sé muy poco de esto) que no todos los líquidos se congelan (es decir, se asientan en el orden cristalino) al condensarse. Un sólido amorfo (como el vidrio) no es cristalino, por lo que el vidrio sólido tiene las mismas simetrías que el vidrio fundido; por lo tanto, aunque parezca sólido, el vidrio es realmente un fluido muy viscoso. Si se aplica fuerza a un trozo de vidrio y se espera lo suficiente (quizá muchos años), se véase que fluya (es decir, que lo vea pasar permanente deformación, como un fluido, en lugar de elástico deformación, como un sólido)

$(3)$ El diagrama de fases propiamente dicho: Me remito al enlace de @knzhou para el diagrama de fases del agua. ( https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_diagram_of_water_simplified.svg )

Cuando el agua hierve a $NTP$ (condiciones normales) parece haber un cambio de fase a pesar de los hechos anteriores; por ejemplo, la densidad tiene claramente un salto discontinuo entre los dos. Pero, ¿debe esto implicar que se trata de dos fases distintas?

No voy a responder a esto directamente. En su lugar, llamaré la atención sobre dos hechos que se desprenden del propio diagrama de fases. Es cierto que existe un rango de presiones para el que, cuando aumentamos la temperatura, encontramos un salto discontinuo en la densidad. Los puntos en los que se produce este salto forman una curva extendida en el $T-P$ avión. Pero también es un hecho que esta curva termina en el punto crítico.

Esto implica lo siguiente: elige una configuración de moléculas de agua que te parezca gaseoso y otro que parece líquido (estas dos configuraciones se refieren a dos puntos del diagrama de fases). Existe un proceso termodinámico que le lleva entre estas configuraciones (es decir, una curva en el $T-P$ plano que une los dos puntos) durante el cual se encuentra no hay saltos discontinuos en la densidad

tl;dr: Si dos "estados de la materia" están conectados a través de un cambio continuo en los parámetros termodinámicos, obedecen a las mismas simetrías y se rigen por las mismas ecuaciones de movimiento, son realmente la misma cosa. En mi humilde opinión, no deberían ser reconocidas como distintas "Fases" en cualquiera bien definida, observable macroscópicamente manera.

Esta última observación es relevante para el escenario original de su pregunta; podemos concluir que:

En un caso general, no hay manera de distinguir un "líquido" de un "gas" mirando una instantánea de todas las moléculas en un momento dado .

Answer 5

La respuesta es la mecánica cuántica (QM) y la distancia. Utilizaré H ₂ O como ejemplo.

La respuesta a su pregunta no es sorprendentemente QM. H líquido ₂ O tiene algo especial entre las moléculas que el H ₂ O no tiene. Es un fenómeno QM, y se puede leer de muchas maneras (fuerzas de van der Waals, fuerzas de London y fuerzas electrostáticas), pero realmente es un fenómeno QM.

Lo bonito de la QM es que no hay diferencia entre el H líquido y el gaseoso ₂ O. La diferencia es la fuerza entre las moléculas (que las moléculas sólo sienten a ciertas distancias).

Su pregunta es realmente: ¿Por qué existe esta fuerza entre las moléculas de H20 líquido que el H gaseoso ₂ ¿Las moléculas de O no tienen (en realidad lo tienen pero están demasiado separadas para sentirlo)? La respuesta es la distancia.

¿Las moléculas del líquido se repelen o se atraen?

Ahora tienes que llevar estos gases de H ₂ O se acercan hasta alcanzar un límite, y cuando eso ocurre, se dispara la QM, y se produce un nuevo fenómeno de conexión QM entre las moléculas que es atractivo a ciertas distancias.

¿Cómo se puede alcanzar esa distancia de activación? Necesitas presión. En cuanto se añade suficiente presión al H ₂ O, se convertirá en líquido.

Ahora se pregunta cómo saber si la fase real de H ₂ El O es gaseoso o líquido. La respuesta es la curvatura (o la falta de ella) del espacio-tiempo. Llévelos a una caja de vacío, al espacio plano, y déjelos flotar. Toma tiempo, pero sólo en el caso del H líquido ₂ O verá que se agrupan, sólo para formar en una sola gota en forma de esfera perfecta.

Sólo el líquido formará una forma perfecta, es decir, una esfera dentro de la caja. El gas no puede hacerlo; el gas llenará la caja por igual.