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Teoría molecular: Sólido, líquido, gas
Casi tan obviamente como que dos y dos son cuatro, todos respondemos que los estados de la materia son tres: sólido, líquido y gas. Es un hecho de la vida claro como el agua. Pero si el agua sigue siendo H2O así se presente en forma de hielo o de vapor, ¿qué es lo que cambia y los hace aparecer tan distintos?
Una primera aclaración es que, técnicamente,es inadecuado llamar ``estados'' a las presentaciones en que nos encontramos a los materiales: en su lugar, se llama ``estado'' a cada una de las situaciones --combinaciones de las variables termodinámicas -- en que encontramos a los sistemas que estudiamos: la temperatura, la densidad, el campo magnético, son ejemplos de las variables que definen a dichos estados. En cambio, se habla de las``fases'' líquida, gaseosa y sólida de las sustancias. De esta manera, puede decirse que para ciertos estados el agua se presenta en fase líquida, para otros estados en fase sólida y que existen estados muy especiales en que se puede apreciar la coexistencia de una o más fases.
La idea de la naturaleza de las fases que la física nos ofrece pertenece a una forma de pensar que es una ruptura y al mismotiempo una continuación de la tradición que considera que las propiedades de la materia se deben explicar en base a las propiedades de las partículas que la componen: átomos, electrones, quarks, etcétera. Por ejemplo, para el creador de la mecánica clásica --Isaac Newton-- estaba fuera de toda duda que la idea de la partícula elemental era la clave del estudio del mundo natural:
``La extensión,dureza, impenetrabilidad, movilidad y fuerza de inercia del Todo resulta de la extensión, dureza, impenetrabilidad, movilidad y fuerza de inercia de las Partes; así concluimos que las mínimas partículas de todos los cuerpos han de ser todas ellas extensas, duras e impenetrables, movibles y dotadas cada una con fuerzas de inercia propias. Y esto es el fundamento de toda filosofía''.
Pero veamos enqué consiste esta ruptura y continuidad de la tradición.
Descendientes del caos y hielo
En los dos siglos posteriores a Newton, con el desarrollo de las teorías de la termodinámica y de la hidrodinámica bastaba con explicar las propiedades de la materia en términos operacionales a partir de unos cuantos principios básicos como la conservación de la energía, la masa y el momento. Era suficienteconsiderar que un fluido como el agua o el aire era un “continuo” al que se le podía calentar, deformar, empujar y escurrir de manera tal que habría de responder de esta y de aquella otra manera según la termodinámica o la hidrodinámica. Esta clase de teorías, llamadas fenomenológicas, son incompletas pues determinan condiciones muy generales que todas las sustancias deben de cumplir, pero almomento de referirse a una sustancia concreta ya no tienen poder predictivo a menos que se les suministre una serie de ecuaciones y parámetros específicos que se han de medir para cada material.
Tiempo después, el programa newtoniano para atribuir el origen de las propiedades macroscópicas de la materia a las propiedades microscópicas de las moléculas que la constituyen dio un gran paso aldesarrollarse la teoría cinética de los gases. Ludwig Boltzmann, James C. Maxwell y otros consiguieron establecer una teoría que permitía ver la forma en que una gran acumulación de moléculas dispersas tiene todas las características de un gas ordinario (y viceversa). ¡Fue un éxito tremendo para unas moléculas que se concebían como bolas de billar en la época en que la mayoría de los científicos no creía enla existencia de los átomos!.
El nombre “gas” proviene de la palabra griega que designa el caos: la teoría cinética de los gases supone que las moléculas de un gas son diminutos granos de materia que se mueven a grandes velocidades (mientras más caliente el gas, mayor la velocidad), que chocan con las paredes del recipiente que las contiene (generando una presión), y que lo hacen de una manera...