Estados físicos da matéria
Nota: Para outros significados, veja Estado (desambiguação).
Fases ou estados da matéria - são conjuntos de configurações que objetos macroscópicos podem apresentar. O estado físico tem a relação com a velocidade do movimento das partículas de uma determinada substância. Canonicamente e segundo o meio em que foram estudados, são três os estados ou fases considerados: sólido, líquido e gasoso.[1] Outros tipos de fases da matéria, como o condensado de bose-einstein ou o plasma são estudados em níveis mais avançados de física. As características de estado físico são diferentes em cada substância e depende da temperatura e pressão na qual ela se encontra.[2]
Os estados físicos da matéria
Há muitas discussões sobre quantos estados da matéria existem, porém as versões mais populares atualmente são de que a matéria somente tem três estados: sólido, líquido e gasoso. Mas há também outros que, ou são intermediários ou pouco conhecidos. Por exemplo: os vapores,[3] que nada mais são uma passagem do estado líquido para o gasoso na mesma fase em que o gás, porém quando está em estado gasoso, não há mais possibilidade de voltar diretamente ao estado líquido; já quando em forma de vapor, pode ir ao estado líquido, desde que exista as trocas de energia necessárias para tal fato.[2] Por isto que diz comumente "vapor d´água".
Se colocarmos os estados físicos da matéria em ordem crescente, conforme a quantidade de energia que cada um possui, teremos:
Condensado de Bose-Einstein → Sólido → Líquido → Gasoso → Plasma
O Plasma é o estado em que a maioria da matéria se encontra no universo. Sabe-se que qualquer substância pode existir em três estados: sólido, líquido e gasoso, cujo exemplo clássico é a água que pode ser gelo, água em estado líquido e vapor de água. Todavia há pouquíssimas substâncias que se encontram nestes estados, que se consideram indiscutíveis a difundidos, mesmo tomando o Universo no seu conjunto. É pouco provável que superem o que em química se considera como restos infinitamente pequenos. Toda a substância restante do universo subsiste no estado denominado plasma.[4]
No estado sólido considera-se que a matéria do corpo mantém a forma macroscópica e as posições relativas das suas partículas, as moléculas se encontram próximas umas das outras com forte atração entre elas, nestas condições, possui forma e volume próprio, independentemente do corpo onde se encontra e ainda o movimento é praticamente nada. É particularmente estudado nas áreas da estática e da dinâmica.
No estado líquido, o corpo mantém a sua quantidade de matéria e aproximadamente o seu volume. A forma e posição relativa das suas partículas é variável se adaptando conforme o corpo. As moléculas estão relativamente próximas, e a força de atração é mediana, assim como os movimentos. É particularmente estudado nas áreas da hidrostática e da hidrodinâmica.
No estado gasoso, o corpo mantém apenas a quantidade de matéria, podendo variar amplamente a forma e o volume, as partículas possuem força de atração nula e movimentos bruscos (agitação térmica). É particularmente estudado nas áreas da aerostática e da aerodinâmica.
O condensado de bose-einstein possui características, de ambos, estado sólido e estado líquido, como supercondutividade e super-fluidez, porém, é encontrado em temperaturas extremamente baixas (próximas ao zero absoluto), o que faz com que suas moléculas entrem em colapso. É particularmente estudado na área da mecânica quântica.
O condensado fermiônico é uma coleção de milhares de partículas ultrafrias ocupando um único estado quântico, ou seja, todos os átomos se comportam como um único e gigantesco átomo.
O Superfluido de Polaritons é um superfluido que é capaz de levar energia de um lugar para outro utilizando-se de um feixe de luz, também pode gerar raios laser potentes com baixo consumo e fazer transporte de bits em meio sólido.
Outros estados da matéria
Existem outros possíveis estados da matéria; alguns destes só existem sob condições extremas, como no interior de estrelas mortas, ou no começo do universo depois do Big Bang:
- Fluidos supercríticos
- Colóide
- Superfluido
- Supersólido
- Matéria degenerada
- Neutrônio
- Matéria fortemente simétrica
- Matéria debilmente simétrica
- Condensado fermiônico
- Plasma de quarks-glúons
- Matéria estranha ou materia de quarK
Estados em baixa temperatura
Superfluidos
Ver artigo principal: SuperfluidoPerto do zero absoluto, alguns líquidos formam um segundo estado líquido descrito como superfluido porque tem viscosidade zero ou fluidez infinita. Isso foi descoberto em 1937 para o hélio, que constitui um superfluido abaixo da temperatura lambda de 2,17 K. Neste estado, ele vai tentar "subir" para fora do recipiente.[5] Também tem condutividade térmica infinita, de modo que nenhum gradiente de temperatura pode se formar em um superfluido.
Essas propriedades são explicadas pela teoria de que o isótopo comum hélio-4 faz um condensado de Bose-Einstein (ver próxima seção), no estado superfluido. Mais recentemente, superfluidos de condensado fermiônico tem sido formados a temperaturas ainda mais baixas pelo raro isótopo hélio 3 e lítio-6.[6]
Condensados de Bose-Einstein
Ver artigo principal: Condensado de Bose-EinsteinEm 1924, Albert Einstein e Satyendra Nath Bose previram o "condensado de Bose-Einstein", por vezes referido como o quinto estado da matéria.
Na fase gasosa, o condensado de Bose-Einstein manteve uma previsão teórica não verificada durante muitos anos. Em 1995, os grupos de pesquisa de Eric Cornell e Carl Wieman, de JILA na Universidade do Colorado em Boulder, produziram pela primeira vez esse condensado experimentalmente. Um condensado Bose-Einstein é "mais frio" do que um sólido. Pode ocorrer quando os átomos têm níveis quânticos muito semelhantes (ou o mesmo), em temperaturas muito perto do zero absoluto (-273,15 °C).
Mudanças de fase
Como a cada uma destas fases de uma substância corresponde determinado tipo de estrutura corpuscular, há vários tipos de mudanças de estruturas dos corpos quando muda a fase, ou de estado de aglomeração, da substância que são feitos. A mudança de fases ocorre conforme o diagrama de fases da substância. Mudando a pressão ou a temperatura do ambiente onde um objeto se encontra, esse objeto pode sofrer mudança de fase.
- Fusão - mudança do estado sólido para o líquido.Existem dois tipos de fusão:
- Gelatinosa - derrete todo por igual; por exemplo o plástico.
- Cristalina - derrete de fora para dentro; por exemplo o gelo.
- Vaporização - mudança do estado líquido para o gasoso. Existem três tipos de vaporização:
- Evaporação - as moléculas da superfície do líquido tornam-se gás em qualquer temperatura.
- Ebulição - o líquido está na temperatura de ebulição e fica borbulhando, recebendo calor e tornando-se gás.
- Calefação - o líquido recebe uma grande quantidade de calor em período curto e se torna gás rapidamente.
- Condensação - mudança de estado gasoso para líquido (inverso da Vaporização).
- Solidificação - mudança de estado líquido para o estado sólido (inverso da Fusão).
- Sublimação - um corpo pode ainda passar diretamente do estado sólido para o gasoso.
- Ressublimação - mudança direta do estado gasoso para o sólido (inverso da Sublimação).
- Ionização - mudança de estado gasoso para o estado plasma.
- Desionização - mudança de estado plasma para estado gasoso (inverso de Ionização).