La matèria és un dels conceptes fonamentals en la física i la química, i es presenta en diversos estats diferents, cadascun amb les pròpies propietats i comportaments únics.
Els estats de la matèria (o estats d'agregació de la matèria) són sòlid, líquid i gasós, encara que també hi ha altres estats, com el plasma i el condensat de Bose-Einstein.
En aquest article, explicarem detalladament cadascun d'aquests estats i com els científics els estudien.
Estat sòlid
L'estat sòlid és un dels estats més comuns de la matèria i és aquell on les partícules que componen un material estan fortament unides entre si. Les partícules en un estat sòlid no tenen una gran quantitat de moviment, cosa que els confereix una estructura definida.
Els sòlids tenen una forma i un volum definits i, en general, són incompressibles.
L´estructura d´un sòlid pot ser cristal·lina o amorfa. Els sòlids cristal·lins tenen una estructura ordenada i repetitiva, com un cristall de sal o un diamant. Els sòlids amorfs, d'altra banda, no tenen una estructura ordenada i en poden ser exemples el vidre o el plàstic.
Una propietat interessant dels sòlids és que la forma i el volum no canvien fàcilment quan se'ls sotmet a pressió o temperatura. Això és degut a les fortes interaccions entre les partícules que els componen. A més, els sòlids tenen la capacitat de transmetre forces, cosa que els permet mantenir la seva forma.
Estat líquid
Els líquids són estats intermedis de la matèria en termes de moviment i estructura. A diferència dels sòlids, les partícules en un líquid tenen més llibertat de moviment i no estan tan fortament unides entre si. Això els permet fluir i prendre la forma del contenidor.
Els líquids tenen un volum definit però no una forma fixa. Això significa que un líquid prendrà la forma del recipient on es troba. A més, els líquids són pràcticament incompressibles, cosa que significa que el seu volum no canvia significativament sota pressió.
Exemple
L'aigua és un exemple comú d'un líquid. L'aigua pren la forma del recipient on es troba, però sempre té el mateix volum en qualsevol recipient. Els líquids també tenen una propietat interessant anomenada tensió superficial, que es manifesta en la formació de gotes i capil·lars.
Estat gasós
A l'estat gasós, les partícules de la matèria tenen una gran llibertat de moviment i no estan unides entre si. Els gasos no tenen forma ni volum definits i s'expandeixen per emplenar completament l'espai disponible. Poden ser comprimits amb facilitat i tenen una densitat molt menor en comparació dels sòlids i líquids.
Els gasos són molt sensibles als canvis de temperatura i pressió, com es demostra a les lleis dels gasos. Quan s'escalfa un gas, les partícules guanyen energia cinètica i es mouen més ràpid, cosa que provoca una expansió del gas. D'altra banda, quan es refreda un gas, les seves partícules perden energia cinètica i es mouen més lentament, cosa que provoca una contracció.
Exemple
Un exemple dun gas comú és laire que respirem. L'aire es compon principalment de nitrogen i oxigen en estat gasós i omple l'espai que l'envolta sense tenir una forma ni un volum específics.
Altres estats de la matèria
A més dels tres estats clàssics de la matèria, hi ha estats més exòtics que es produeixen sota condicions especials. Dos d'aquests estats són el plasma i el condensat de Bose-Einstein.
Plasma
El plasma és un estat de la matèria que es forma a temperatures altes, quan les partícules adquireixen tanta energia que els electrons se separen dels nuclis, creant un mar d'electrons lliures i ions positius. Això resulta en un material altament conductor delectricitat i es troba en fenòmens naturals com el sol i les estrelles. També es crea artificialment en dispositius com els tubs fluorescents i els televisors de plasma.
El plasma és un estat extremadament energètic de la matèria i exhibeix propietats úniques, com ara l'emissió de llum visible. És important en la investigació de la fusió nuclear i la generació denergia a través de processos de fusió.
Condensat de Bose-Einstein
El condensat de Bose-Einstein és un estat de la matèria que es produeix a temperatures properes al zero absolut (-273.15°C). Va ser predit per Albert Einstein i Satyendra Nath Bose a la dècada de 1920. En aquest estat, les partícules es refreden tant que comencen a comportar-se com una sola ona col·lectiva, cosa que dóna lloc a fenòmens quàntics estranys.
El condensat de Bose-Einstein és notable pel seu comportament de superfluïdesa i superconductivitat, fet que el converteix en una àrea de recerca fonamental en la física de la matèria condensada i la teoria quàntica.
Canvis d'estat
Les transicions entre els estats d'agregació de la matèria, com ara la fusió, l'evaporació, la sublimació i la condensació, són processos físics fonamentals. Aquests canvis d‟estat es produeixen quan s‟afegeixen o es retira energia tèrmica de la matèria.
-
Fusió: És el canvi d'estat de sòlid a líquid, que passa en escalfar un sòlid. Per exemple, el gel es converteix en aigua líquida quan s'escalfa.
-
Evaporació: És el canvi d'estat de líquid a gas, que passa quan les partícules d'un líquid guanyen prou energia per convertir-se en gas. Un exemple és laigua que bull i es converteix en vapor.
-
Sublimació: És el canvi d‟estat directe de sòlid a gas, sense passar per l‟estat líquid intermedi. El gel sec, que és diòxid de carboni sòlid, se sublima en escalfar-se.
-
Condensació: És el canvi d'estat de gas a líquid i passa quan les partícules d'un gas perden prou energia tèrmica per convertir-se en líquid. Això passa quan el vapor es condensa en gotes d'aigua.
Importància en la ciència i la tecnologia
Els estats de la matèria són fonamentals a la ciència i la tecnologia i tenen aplicacions en una àmplia varietat de camps. Aquí hi ha alguns exemples de la seva importància:
-
Materials i nanotecnologia: Essencial per dissenyar i crear nous materials, incloent superconductors i materials a nanoescala.
-
Energia: Crucial en la producció i emmagatzematge d'energia, com ara la fusió nuclear i els condensats de Bose-Einstein.
-
Ciències de la terra i astronomia: Ajuda a comprendre processos geològics i atmosfèrics, a més de la formació d'estrelles i de galàxies.
-
Medicina i ciències de la vida: Important a la criopreservació de teixits i òrgans, així com a la tecnologia d'imatge mèdica.