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El objetivo de este experimento es describir el comportamiento de las partículas en los diferentes estados de la materia (sólido, líquido y gas) y observar cómo estos cambian al aplicar calor o presión. Además, se analizará cómo las transiciones entre los estados de la materia están relacionadas con la variación de estas dos variables.

A través del uso del simulador interactivo de PhET, se busca establecer una correlación clara entre las transiciones de fase y las leyes fundamentales de la termodinámica, con especial énfasis en los mecanismos de transferencia de energía y su efecto sobre las interacciones moleculares.

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Se empleo para la realización de este experimento el simulador "Estados de la Materia: Intro" desarrollado por PhET Interactive Simulations. Este simulador proporciona una representación visual y ajustable del comportamiento de partículas a nivel molecular, lo que permite manipular variables clave como la temperatura y la presión para observar de manera precisa los cambios en los estados de la materia.

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Para realizar el informe, se utilizó el presente Padlet, el cual es una herramienta digital en línea que permite crear tableros colaborativos, también conocidos como "murales virtuales", también útil para organizar información de manera visual y estructurada, haciendo más fácil la navegación y el acceso a contenido.

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Se accedió al simulador "Estados de la Materia: Intro" de PhET. La interfaz inicial permite seleccionar entre tres estados de la materia: sólido, líquido y gas, lo que facilita la comparación directa de las características moleculares entre estos estados.

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Inicialmente, se seleccionó el estado sólido en el simulador. Se observó que las partículas en este estado están fuertemente cohesionadas, manteniendo una disposición estructurada y fija. El movimiento de las partículas es extremadamente limitado, restringido a vibraciones en torno a posiciones fijas dentro de la red cristalina. Esto es coherente con lo que se espera de un sólido, donde las fuerzas intermoleculares (fuerzas de Van der Waals o enlaces covalentes, dependiendo de la sustancia) mantienen una estructura rígida.

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A continuación, se aplicó un aumento gradual en la temperatura del sistema, lo que provocó la transición del sólido al estado líquido (fusión). En este estado, las partículas comenzaron a moverse con mayor libertad, aunque aún mantienen una relativa proximidad debido a las fuerzas de atracción intermolecular, que siguen presentes pero debilitadas. Observé que el líquido no tiene una forma definida y que las partículas pueden deslizarse unas sobre otras, permitiendo su fluidez característica.

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Al continuar incrementando la temperatura, el sistema transitó al estado gaseoso. En esta fase, las partículas se mueven de manera caótica, con una velocidad significativamente mayor, y las fuerzas de atracción entre ellas se vuelven casi insignificantes. La separación entre las partículas es máxima, lo que les permite ocupar todo el espacio disponible dentro del contenedor, sin restricciones de volumen o forma. La energía cinética de las moléculas es alta, lo que genera un número considerable de colisiones entre las partículas y con las paredes del recipiente, produciendo presión.

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Posteriormente, se experimentó con el ajuste de la presión en el simulador. Se aplicó una presión creciente sobre el gas, observando cómo las partículas empezaban a aproximarse, reduciendo gradualmente el volumen disponible. Este fenómeno puede explicarse mediante la ley de Boyle, donde la presión es inversamente proporcional al volumen a temperatura constante. Este aumento en la presión eventualmente provocó la condensación del gas a líquido, ya que la cercanía entre las moléculas permite la formación de interacciones intermoleculares.

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Finalmente, se probó la combinación de ajustes simultáneos de temperatura y presión, observando cómo la energía térmica afecta el grado de libertad de las partículas y cómo la presión influye en la densidad y disposición molecular. Al disminuir la temperatura y aumentar la presión de manera significativa, el sistema pudo regresar al estado sólido a través del proceso de solidificación.

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Las partículas están dispuestas en una red cristalina rígida y uniforme.

Solo vibran en sus posiciones fijas debido a la energía cinética limitada.

La forma y el volumen son constantes e invariables.

La alta cohesión entre partículas es explicada por la fuerte presencia de fuerzas intermoleculares, lo que impide cualquier tipo de movimiento de traslación o rotación entre las partículas.

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Las partículas ganan libertad de movimiento, aunque siguen estando lo suficientemente cerca como para mantener cohesión.

El líquido no tiene forma propia, pero sí conserva su volumen, lo que implica que las partículas aún interactúan de manera significativa.

Las partículas pueden deslizarse unas sobre otras, lo que se manifiesta en la capacidad de los líquidos para fluir.

Las fuerzas intermoleculares aún existen, aunque son lo suficientemente débiles como para permitir el movimiento relativo entre partículas.

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Las partículas están ampliamente separadas y en continuo movimiento caótico y desorganizado.

No tienen forma ni volumen definidos, ocupando todo el espacio disponible en el contenedor.

La velocidad de las partículas es alta, y las colisiones son frecuentes, generando la presión observada en el gas.

La energía cinética de las partículas es predominante, lo que minimiza cualquier tipo de interacción intermolecular significativa.

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Fusión: La aplicación de calor a un sólido incrementa la energía cinética de las partículas, permitiéndoles superar las fuerzas de atracción que las mantenían en una disposición fija. Como resultado, las partículas adquieren la capacidad de deslizarse unas sobre otras, dando lugar al estado líquido.

Evaporación: Al seguir aumentando la temperatura, las partículas del líquido obtienen suficiente energía para vencer las fuerzas intermoleculares restantes y separarse completamente, lo que resulta en la formación de un gas. Este proceso también se conoce como vaporización.

Condensación y solidificación: Al aplicar presión a un gas, las partículas se aproximan y eventualmente se vuelven lo suficientemente cercanas como para que las fuerzas de atracción vuelvan a ser relevantes, formando un líquido. Si se continúa disminuyendo la temperatura o aumentando la presión, el sistema puede alcanzar el estado sólido a través de la solidificación.

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El análisis experimental llevado a cabo mediante el uso del simulador de PhET ha proporcionado una comprensión clara y precisa de los mecanismos que gobiernan el comportamiento de las partículas en los distintos estados de la materia. Las observaciones realizadas confirman que el estado de agregación de la materia está directamente relacionado con la energía cinética de las partículas y la magnitud de las fuerzas intermoleculares presentes en cada fase.

La correlación entre la temperatura, la presión y el estado de la materia también se ha observado de manera efectiva. El incremento en la temperatura suministra energía cinética a las partículas, lo que provoca transiciones de sólido a líquido y de líquido a gas. Por otro lado, el aumento en la presión tiende a forzar las partículas a estar más cercanas, facilitando la condensación y la solidificación.

Estos principios no solo son aplicables a situaciones experimentales controladas, sino que también se manifiestan en fenómenos naturales como el ciclo del agua, donde el agua experimenta continuamente transiciones entre sólido, líquido y gas en respuesta a cambios en la temperatura y presión atmosféricas. La evaporación del agua por el calor solar y su posterior condensación en las capas superiores de la atmósfera son ejemplos directos de cómo las leyes físicas observadas en el laboratorio regulan procesos globales fundamentales.

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PhET Interactive Simulations. (2024). Estados de la Materia: Intro. Universidad de Colorado Boulder. Disponible en: https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter

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Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Química Física de Atkins (10ª ed.). Oxford University Press. ISBN: 978-0199609819.

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