El estado líquido de la materia

El estado líquido de la materia

Un “líquido” es un estado de la materia con una densidad y volumen definidos, pero sin una forma particular puede cambiar fácilmente si es sometido a una fuerza.

Las cantidades de líquidos se miden en unidades de volumen, principalmente en metros cúbicos y sus divisiones, particularmente el decímetro, conocido como litro. El volumen de un líquido está fijado por su temperatura y su presión.

Líquido

La forma de los líquidos es esférica si sobre ellos no actúa ninguna fuerza externa. Al ser sujeto a la fuerza de la gravedad, la forma de un líquido queda definido por el recipiente que lo contiene.

water-sphere-in-space

En el siguiente video se puede apreciar esta propiedad:

Las partículas de materia de un líquido tienen menor energía en forma de calor que en su estado gaseoso lo que les permite unirse con firmeza por electromagnetismo con otras partículas (iguales, generando “cohesión” o distintas, generando “adhesión”) con cierta coherencia en la cercanía, sin que dichas uniones sean rígidas y sin formar estructuras en particulares, lo que le permite al líquido adoptar la forma del recipiente que lo contiene. Las fuerzas cohesivas de un líquido dependerán de la velocidad en la que ocurre la deformación de la sustancia.

Intermolecular forces

Dependiendo de la complejidad de las partículas que forman la sustancia y a la proporción de energía en forma de calor, se realizarán las uniones moleculares que presentarán una resistencia determinada a fluir, desplazarse o ser extendidos, es decir, viscosidad.

effecto-viscosidades

Por otra parte, los líquidos tienen mayor energía que el de sus enlaces con  otras partículas, lo que les permite fácilmente vibrar, tener movimiento, deslizarse y separarse de forma libre entre sí y entre otras partículas, sin adoptar una forma definida y sin repelerse fuertemente entre sí, permitiendo a la sustancia la capacidad de fluir, es decir, la posibilidad de deformarse para pasar por cualquier orificio o agujero sin necesidad de ejercer una tensión mecánica.

Líquido fluyendo

Estas dos circunstancias de energía le permite a las partículas de los líquidos generar uniones y romperlas rápidamente. Cuando una molécula de un líquido se separa del resto de las partículas, tiene una alta probabilidad de encontrarse con una partícula del mismo material para volver a generar uniones.

Gotas de Agua Uniéndose

Los líquidos se forman cuando partículas energizadas (de un gas) se consolidan en un espacio determinado, a temperatura y presión constantes, perdiendo energía en forma de calor, e iniciando un proceso de condensación con la posibilidad de que dichas partículas puedan interactuar entre sí por medio de uniones electromagnéticas hasta constituir un arreglo o sustancia.

Condensación

Al igual que los gases, los líquidos fluyen. Bajo la acción de la gravedad también tomarán la forma del recipiente que los contiene, sin embargo, como sus partículas no se dispersan ni se repelen, no llenan el espacio del recipiente que los contienen sino que conservan una densidad generalmente constante formando una superficie.

Agua en contenedores

Dentro de un líquido, cada partícula es empujada igualmente en todas direcciones por las moléculas vecinas, resultando en una fuerza neta de cero, con un menor estado de energía que las partículas en la superficie.  Las moléculas de un líquido ejercerán presión a los lados del recipiente que lo contiene así como en cualquier objeto dentro de dicho líquido.

Presión en fluídos

En un recipiente sellado, la presión quedará distribuída de forma homogénea en toda la superficie del contenedor.

Principio Pascal

Bajo una gravedad constante y con una densidad uniforme, a mayor profundidad dentro del líquido, habrá mayor presión.

Presión profundidad

Las moléculas en la superficie del líquido no tienen moléculas a los lados, por tanto están en un mayor estado de energía. El líquido tenderá a minimizar su estado de energía, por lo que las moléculas de alta energía en la superficie tenderán a minimizarse, minimizando el área de la superficie y provocando que la superficie tenga una forma suave con una tendencia a contraerse para resistir a fuerzas externas, generando “tensión superficial”.

surten2

La superficie de un líquido será como una membrana elástica, que permite la formación de gotas, burbujas, olas superficiales, y el comportamiento de la acción capilar.

La tensión superficial también permite el fenómeno físico de mojar, es decir, que las moléculas de mayor energía en la superficie se adhieran a otras moléculas distintas.

water-droplets-on-lemon-leaf-ralph-ledergerber_wvlx

La tensión superficial permite que un objeto flote en un líquido aunque sea más denso que el líquido. También permite la capilaridad, es decir, la capacidad de subir por tubos de díametros muy pequeños donde la fuerza de cohesión es superada por las fuerzas de adhesión.

Acción Capilar en Plantas

Como las moléculas en un fluído ya están unidas, es muy difícil comprimirlas, por lo que se dice que los líquidos tienen un volumen constante a menos que sea sometido a temperaturas muy altas. Los líquidos generalmente se dilatan al aumentar su temperatura y pierden volumen cuando se enfrían.

Los líquidos pueden ser miscibles si se mezclan con otros de forma homogénea o inmiscibles cuando son incapaces de mezclarse. A diferencia de los gases, los líquidos no siempre se mezclan con otros líquidos o gases con los que interactúan.

Agua y Aceite

A medida que las partículas de un líquido tengan menor energía que la de sus enlaces, la distancia entre las moléculas será más pequeña y las uniones intermoleculares sobrepasarán la capacidad de movimiento y vibración de las moléculas.

Si el líquido pierde suficiente calor para alcanzar su punto de fusión, se conformará una estructura rígida por el encadenamiento de las uniones, formando la cristalización sólidos (a menos que ocurra un superenfriamiento). Si este enfriamiento se da de forma repentina, habrá la posibilidad de que se conforme un sólido amorfo.

snowflake_c

De la misma manera, a través de la aplicación de energía de calor en un sólido, se puede provocar la vibración y el movimiento en las partículas, hasta que los enlaces intermoleculares quedan sobrepasados por la vibración de las moléculas, aumentando la distancia entre las moléculas. Si el sólido es energizado lo suficiente hasta sobrepasar su punto de fusión, el material se hará líquido.

melt

Si se aplica energía de calor en un líquido hasta alcanzar el punto de ebullición, las moléculas vibrarán de tal forma que las fuerzas cohesivas que las unen se romperán, y se repelerán, aumentando la distancia entre sí, hasta que el líquido pase a su estado gaseoso (a menos que ocurra un supercalentamiento).

White coffee cup

La densidad de un líquido es más cercana a la de un sólido y mucho más alta que la de un gas, por lo que el sólido y el líquido normalmente se llaman materia condensada.

Materia Condensada

La principal diferencia entre un líquido y un sólido es la forma en la que responden a las fuerzas de corte o tensión. La densidad de la materia cambia la estructura de los enlaces de una sustancia. Mientras menor densidad tengan los líquidos menor respuesta al corte o a la tensión.

Olympics+Day+14+Diving+MJBJHDcM0bYl

Los líquidos no presentan resistencia a la tensión, ni se fracturan, pero al ser sometidos a una fuerza, se dividen fácilmente y son capaces de crear nuevas superficies y rápidamente deshacerlas, mientras que los sólidos oponen resistencia a cambiar su forma.

Muchos gases pueden ser licuificados por enfriamiento, produciendo líquidos como oxígeno líquido, nitrógeno líquido, hidrógeno líquido y helio líquido. El Dióxido de carbono sólo puede ser licuificado a presiones arriba de 5.1 atmósferas.

Aunque el agua líquida es abundante en la Tierra, siendo el océano la principal característica de la Tierra si es vista desde el espacio exterior más allá de la Luna, este estado de materia es el menos común en el universo conocido porque los líquidos requieren un rango de temperatura/presión muy angosto para existir. La mayoría de la materia en el universo está en forma gaseosa con trazos de materia sólida detectable como las nubes interestelares o en plasma en las estrellas como el Sol.

Earth-from-space-large-4-48

Los líquidos son esenciales para que ocurra la vida porque facilitan el intercambio de materia y energía. Los líquidos son claves en la disolución y mezcla de compuestos, además que gracias a ellos ocurren las reacciones bio-químicas (que no ocurren en los sólidos) y que son muy ineficientes en los gases. El líquido más común en la Tierra es el agua.

Los  líquidos son utilizados como lubricantes (como el aceite por su viscosidad), solventes (como jabones, pinturas o adhesivos) y enfriantes (por su gran conductividad térmica y su habilidad de fluir). En sistemas hidráulicos, los líquidos son usados para transmitir energía.

Los líquidos son el principal componente de los sistemas hidráulicos que atienden a la Ley de Pascal para proveer energía de fluidos. Los aparatos como bombas convierten el movimiento de líquidos en trabajo mecánico desde la antigüedad.