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

Se trata del equilibrio entre los movimientos cinéticos (térmicos) de las moléculas (átomos) y la presión del gas/vapor. En un sólido, la fuerza de van der Waals ) une las moléculas para que formen una estructura rígida. Los movimientos térmicos no son suficientes para romper esta estructura. Cuando la sustancia se calienta, los movimientos térmicos rompen la estructura. A baja presión, no hay nada que una las moléculas y éstas forman un vapor.

A una temperatura superior al punto triple, la fase sólida se hace imposible. A presiones superiores a la triple punto La presión de vapor puede ser suficiente para que una parte de la sustancia forme un líquido. Cuando el líquido y el vapor están presentes juntos, la evaporación del líquido provocaría una presión elevada y significa que una sola fase es inestable. Las fases líquida y gaseosa son en realidad dos partes de lo mismo. La fuerza de Van der Waals tiene algún papel, por ejemplo, en la generación de la tensión superficial y en la promoción de la inestabilidad, pero no es la razón principal. El diagrama de fases deja claro que el cambio de vapor a líquido se debe simplemente al aumento de la presión. A una temperatura suficientemente alta, el punto crítico, ya no se forma la fase líquida.

Answer 2

Al girar la imagen en un programa de visualización 3D, se ve que el posiciones parecen bastante caóticas desde cualquier ángulo, a diferencia de una estructura cristalina

Supongo que el OP no ve una diferencia clara entre los líquidos y los gases desde el punto de vista molecular. Y los sólidos no se cuestionan por su estructura cristalina ordenada.

Pero su estructura ordenada es también un caso ideal. Si un metal está muy trabajado en frío (lo que ocurre a menudo), por ejemplo, la densidad de dislocaciones puede ser tan alta que un programa de visualización en 3D podría mostrar una disposición de los átomos bastante caótica.

Lo mismo ocurre si la región escaneada por el programa se encuentra en el límite del grano de un metal policristalino. Y los metales de nuestra vida cotidiana son policristalinos, con un área total del límite de grano muy grande.

Por lo tanto, si queremos establecer algún tipo de criterio matemático absoluto, no creo que las disposiciones ordenadas o desordenadas de los átomos puedan ser un buen candidato para marcar alguna diferencia entre líquidos, gases y sólidos. Siempre habrá un montón de excepciones que contradicen nuestro significado habitual de esos conceptos. Es como decir que el vidrio es realmente un líquido, lo que no tiene sentido.

Y el significado habitual de esos conceptos es macroscópico y práctico.

Un sólido, incluso cuando es lo suficientemente plástico como para ser forzado a llenar un molde, no se derrumba inmediatamente por su propio peso.

Un líquido necesita un recipiente, de lo contrario se colapsa inmediatamente debido a su peso.

Un gas necesita un recipiente cerrado, de lo contrario se difunde a los alrededores.

Answer 3

En esta situación, su mejor apuesta para llegar a una conclusión educada es estimar la distancia media de las interpartículas en su imagen y compararla con camino libre medio para un gas ideal poniendo números razonables para la temperatura y la presión y la masa/tamaño efectivo de las moléculas para un artificial sistema de gas ideal. Ajustando para diferentes parámetros realistas (como asumir la masa de hidrógeno, oxígeno, etc.) deberías tener una buena comprensión de un rango realista de la trayectoria libre media para un gas real con la guía de un sistema de gas ideal.

La cuestión es que, si su imagen es un sistema líquido, la distancia media estimada a partir de su muestra de imagen debería ser muy diferente (en un orden de magnitud menor) en comparación con su estimación aproximada de la trayectoria libre media de su sistema de gas ideal ficticio.