Diferencias entre plasma y gas ideal

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Si tuviste hermanos mientras crecías, tus padres probablemente tuvieron un trabajo más fácil simplemente cuidando de un niño a la vez. De la misma manera, cuando los científicos quieren manipular átomos o comprender cómo se comportan, a menudo es más fácil hacerlo cuando los átomos tienen una interacción insignificante entre sí. Primero discutiremos las propiedades de los gases ideales, luego las contrastaremos con un estado de materia similar pero único: el plasma.

Propiedades de los gases ideales

Los gases ideales sólo son «ideales» cuando las partículas que los componen actúan de forma independiente. Si conduce por la autopista antes de la hora pico, es posible que vea que muchos vehículos lo pasan, o puede que los rebase, a velocidades muy diferentes. En la hora pico, los autos no varían sus velocidades de forma independiente entre sí: ¡una colisión adelante puede hacer que los autos que vienen detrás de usted disminuyan la velocidad durante varias millas! Ahora suponga que tiene una muestra de gas contenida en una caja (vea la figura a continuación).

Cuando las partículas del gas están bastante calientes, también tienen mucha energía para ir zumbando unas a otras; pasan muy poco tiempo cerca de cualquier otra partícula de gas, aunque rebotan mucho más en las paredes de la caja. En estas condiciones, tenemos lo que se llama un gas ideal , un gas teórico en el que las partículas solo interactúan con las paredes de su contenedor (panel izquierdo). Cuando la temperatura se enfría, pasan más tiempo interactuando entre sí, lo que los hace no ideales.

Esta no idealidad también puede ocurrir si empaqueta un montón de partículas de gas (de nuevo, piense en los autos en la hora pico) muy juntas. En este caso, el tamaño de las partículas individuales se vuelve nada despreciable en comparación con el volumen de la caja. En otras palabras, la condensación de gases a pequeños volúmenes o altas densidades hace que interactúen (panel derecho). Interactuar puede significar simplemente chocar , como bolas de billar en una mesa de billar, o una definición un poco más matizada.

Durante más de un siglo, los físicos han sabido que los átomos están compuestos de electrones, protones y neutrones. Los electrones de un átomo son fuertemente atraídos por su núcleo cargado positivamente, lo que hace que el átomo sea neutral en general. Sin embargo, los electrones de valencia de un átomo pasan suficiente tiempo lo suficientemente lejos del núcleo como para que puedan ser repelidos temporalmente por los electrones de valencia o atraídos temporalmente por los protones de un átomo cercano.

Todas las fuerzas intermoleculares entre moléculas o átomos finalmente se reducen a este simple principio de que las cargas positivas son atraídas por las cargas negativas . Del mismo modo, las cargas iguales se repelen. Para los átomos neutros y las moléculas en general, estas interacciones son pequeñas en comparación con las partículas con cargas permanentes + y -. Para los gases ideales, se supone que estas interacciones son insignificantes.

Propiedades de los plasmas

Un plasma es una mezcla en fase gaseosa de moléculas neutras o átomos, iones y posiblemente electrones.

Los plasmas se consideran un estado distinto de la materia debido a sus propiedades únicas. Los plasmas se pueden crear descargando un alto voltaje a través de un gas, calentando un gas a temperaturas extremadamente altas y varios otros métodos. El método para crear el plasma debe utilizar suficiente energía para «arrancar» los electrones de los núcleos positivos de las moléculas o átomos de gas neutro. Como puedes imaginar, a los átomos no les «gusta» mucho esto: ¡preferirían aferrarse a sus electrones!

Esto es especialmente cierto para los plasmas que constan de gases nobles como Ar o Ne. Como resultado, solo una fracción de las moléculas o átomos en un plasma se ionizará. Por ejemplo, supongamos que ionizamos CO 2 en fase gaseosa , formando CO 2 + y un electrón. Debido a que el CO 2 es una molécula estable y quiere retener sus electrones, sabemos que el CO 2 + definitivamente quiere recuperar su electrón. Esto solo puede suceder si el CO 2 + encuentra otro electrón en algún lugar del plasma.

Recuerde que, para un gas ideal, la extensión de la interacción depende del tiempo de interacción entre las partículas y de lo cerca que están. El mismo principio se mantiene aquí. Para un plasma de baja densidad muy débilmente ionizado, las probabilidades de que el CO 2 + se encuentre con un electrón son bastante bajas.

Sin embargo, eventualmente se encontrarán entre sí y se recombinarán, porque la partícula negativa (el electrón) no tiene ningún problema en ‘ver’ la partícula positiva (CO 2 + ) desde la distancia. En otras palabras, el tamaño reactivo efectivo de los iones es mucho, mucho mayor en un plasma que en las especies neutras de un gas ideal. Para un plasma denso y fuertemente ionizado, tales procesos de recombinación ocurren mucho más rápidamente, y el contraste entre el gas ideal y el plasma es aún mayor.

Una propiedad adicional de los plasmas, en virtud del hecho de que contienen iones, es que conducen bien la electricidad y pueden verse influenciados por campos eléctricos y magnéticos. Finalmente, los plasmas se descomponen porque los iones opuestos finalmente se encuentran entre sí. Alternativamente, los iones reaccionan con las paredes de su contenedor. Por estas razones, los plasmas se deben generar continuamente y contener especialmente para que permanezcan como plasma; simplemente colocarlos en una caja, como podemos hacer con los gases ideales, no funciona realmente.

Resumen de la lección

En esta lección contrastamos las propiedades de los gases ideales y los plasmas. Los gases ideales exhiben una interacción insignificante de sus partículas neutras, excepto a altas densidades y bajas temperaturas. Los plasmas constan de partículas neutras, iones y electrones. Estas especies cargadas permiten una interacción mucho mayor entre las partículas porque las especies cargadas tienen volúmenes efectivos mucho mayores que las neutrales. Debido a que incluyen iones, los plasmas también pueden conducir electricidad y pueden verse influenciados por campos eléctricos y magnéticos.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador