Matèria i energia

Matèria i energia, dos conceptes gens senzills

Termes com matèria i energia són de mal definir. Tot i això, en el cas de la matèria, les coses són en principi una mica més fàcils. Quan pensem en una cosa material, solem imaginar-nos alguna cosa amb massa, una cosa que se’ns presenta als sentits com una entitat corpòria, ja sigui un objecte com una pedra, l’aigua dins d’una ampolla o fins i tot el vent que ens esbulla els cabells. Però aquesta no és tota la realitat que percebem. Un so, per exemple, l’entenem com una vibració de les molècules de l’aire que es propaga a una certa velocitat, vibració que, en arribar al timpà, a l’orella mitjana, és transmesa per aquesta fina membrana a la cadena d’ossets i, a l’orella interna, genera un senyal elèctric que viatja pel nervi auditiu fins al cervell. En el fenomen del so, el que hi ha és una transmissió d’energia: l’energia vibracional de les molècules.

També hi ha propagació d’energia en l’espai quan rebem la llum emesa o reflectida d’un objecte. Això ho entenem avui com el viatge per l’espai d’unes partícules sense massa, que anomenem fotons. Els fotons són també una forma d’energia. Quan, per exemple, des de dalt d’un terrat, deixem anar un objecte en caiguda lliure cap a terra, diem que la seva energia potencial —una forma d’energia que atribuïm al cos pel simple fet de trobar-se a una certa altura respecte a terra, com veurem una mica més endavant— es transforma en energia cinètica, és a dir, en energia associada a la velocitat que adquireix el cos.

Coneixem ja la relació E = m c2 (vegeu "La velocitat de la llum"), que ens informa que la matèria —amb massa— i l’energia són intercanviables. Això no és cap especulació matemàtica. Els físics han comprovat moltes vegades aquesta fórmula en els processos que tenen lloc al nucli de l’àtom i de les partícules elementals. Així, si es troben un electró i la seva antipartícula, l’antielectró (o positró), pot ser que el xoc doni com a resultat un parell de fotons, és a dir, energia electromagnètica.

La poderosa idea subjacent a aquest concepte d’energia, que ens costa tant de definir, i que continuarem tractant a "Energia, treball i calor", és que en els processos naturals l’energia es conserva. Pot passar d’energia mecànica a química, o tèrmica, o electromagnètica, tant se val. Són conversions que preserven sempre la quantitat d’energia, tot i que, per desgràcia, no en mantenen la qualitat. En aquest sentit, l’energia tèrmica, l’energia que apareix en forma de calor, és una energia més degradada que les altres, perquè és menys aprofitable per a produir determinats resultats.

L'estructura de la matèria

Ara, podem preguntar-nos de què és feta la matèria. Per començar, a partir de la nostra experiència, podem distingir-ne tres formes: sòlida, líquida i gasosa, de les quals parlarem extensament més endavant. Per ara, apuntem-ne només les definicions, que són prou senzilles. Els sòlids tenen forma i volum, els líquids tenen volum, però adopten la forma del recipient que els conté, i els gasos tenen tant la forma com el volum del recipient.

A més de les diverses formes o estats físics que hem esmentat, la matèria, pel que fa a altres propietats, es presenta dividida en un gran nombre de substàncies químiques diferents. El terme "substància" pot crear confusió, atesos els diferents significats específics que se li han atribuït en el curs de la història de la filosofia i de la ciència. De tota manera, en el llenguatge químic, s’entén per substància qualsevol mena de matèria caracteritzada per propietats específiques o intrínseques (com per exemple la brillantor, la transparència, el color, la densitat, la duresa, l’estructura cristal·lina, la conductivitat elèctrica i tèrmica, l’olor o el sabor), que en conjunt la diferencien de les substàncies d’una altra classe. Per exemple, són substàncies diferents per les propietats específiques que les caracteritzen el vidre, l’acer, la fusta, l’aigua, l’oxigen, l’àcid bòric, l’amoníac o el sucre.

Aquesta classificació en formes i tipus diferents de matèria fa referència a l’escala macroscòpica, és a dir, la que és visible i afecta l’experiència quotidiana, les dimensions de la qual es mesuren en mil·límetres, metres o quilòmetres. Però, com deu ser per dins una quantitat d’una substància determinada, en un estat físic qualsevol? Mitjançant la raó i l’experimentació s’ha arribat a construir un model que explica bé els fenòmens de la matèria. Segons aquest model, la matèria té una estructura corpuscular, és a dir, tota substància és constituïda per un conjunt enorme de "trossets", de bocins petitíssims, cadascun dels quals conserva la identitat de la pròpia substància. Aquests fragments, aquestes "engrunes "de matèria són les molècules. La dimensió, en general, d’una molècula és d’uns 10-9 m o sigui una milmilionèsima part de metre, una grandària aproximada que equival a una de les parts que resulten de dividir un mil·límetre en un milió de parts iguals.

El model preveu encara que les molècules són molt sovint divisibles en "trossos", de fet, gairebé sempre es poden subdividir en uns fragments que gaudeixen de les propietats de les substàncies elementals. Aquestes porcions, resultat de les divisions de les molècules, són els àtoms. El terme "àtom" deriva del mot grec que significa "indivisible", encara que aquesta "indivisibilitat" atòmica fa molt temps que es va demostrar que no era tal, com ho palesa prou bé la fissió nuclear (vegeu "Els acceleradors de partícules", més endavant). La ciència que estudia la manera com els àtoms es combinen per formar les molècules i les substàncies elementals (elements químics) que constitueixen totes les altres és la química (vegeu "Àtoms, molècules i compostos", i La gran família del carboni").

Les conjectures sobre l’existència dels àtoms es remunten a l’antiguitat clàssica. Al començament del segle XX els científics es van adonar que existien fenòmens que solament s’explicaven si s’admetia que l’àtom era divisible, és a dir, compost de "parts" més petites. Així, van començar a elaborar models del món interior de l’àtom (o món subatòmic) que tinguessin en compte aquestes experiències. El model més conegut i més simple, al qual es pot recórrer per a descriure l’interior d’un àtom, és el d’un petit sistema solar amb un nucli al centre al voltant del qual giren com si fossin planetes unes partícules anomenades electrons (vegeu l’estructura de l’àtom també a "Àtoms, molècules i compostos"). Els electrons estan carregats d’electricitat negativa, i el nucli, en canvi, està carregat positivament. És per aquesta raó que s’atreuen recíprocament, i l’àtom no es disgrega.

Quant a les característiques, l’àtom resulta pràcticament buit, ja que l’electró és una partícula que es pot considerar gairebé puntual, mentre que el nucli és unes cent mil vegades més petit que l’àtom mateix i té una dimensió de 10-15 m. La unitat de mesura de les dimensions atòmiques és l’àngstrom (de símbol Å), que val 10-10 m, és a dir, una deumilionèsima de mil·límetre. La massa de l’àtom és quasi tota al nucli, i els electrons en contenen menys d’una mil·lèsima. Per mirar d’adonar-nos visualment de què signifiquen aquestes xifres, suposem que engrandim el nucli d’un àtom fins a fer-lo tan gros com una cirera. Aleshores, si volem mantenir les proporcions, l’electró haurà de tenir les dimensions d’un cap d’agulla i voltar aproximadament a un quilòmetre de distància del nucli.

Protons i neutrons: partícules "elementals"?

Fins avui, les dades que han aportat les investigacions no revelen que l’electró sigui una partícula composta. Per tant, a tots els efectes, es pot considerar una partícula elemental. Però no és així pel que fa al nucli atòmic, que podem imaginar com un agregat de diminutes esferes de dues menes diferents, enganxades entre elles. La imatge és només aproximada, però serveix per a donar una idea de l’estructura nuclear i les seves propietats. Els dos tipus d’aquestes "pilotetes" o partícules nuclears són els protons, que tenen una càrrega elèctrica igual a la dels electrons però positiva, i els neutrons, que, com el nom indica, són elèctricament neutres. Les dues partícules són gairebé iguals quant a la massa, que és d’1,6310-27 kg, encara que el neutró "pesa" una mica més. El fet que protons i neutrons pertanyin al nucli fa que en conjunt s’anomenin nucleons.

Hem esmentat el fet que els neutrons i els protons d’un nucli estan pràcticament adherits i, de fet, el símil de la cola d’enganxar serveix força bé per a explicar el que passa. És com si les diferents partícules fessin part d’un adhesiu molt fort: quan es "toquen", la cola actua i és extremament eficaç, però si el "contacte" no es dóna, aleshores és com si no hi hagués cap mena d’adhesiu.

De matèria a energia i viceversa

Arribats aquí podríem pensar que ja hem identificat els components fonamentals de la matèria, però no és així. Per començar, quan intentem "trencar" un nucli atòmic per separar-ne els components, descobrim que, com més energia emprem en l’operació, en més "trossos" es divideix el nucli.

Per entendre el significat d’aquesta afirmació, imaginem-nos un trencaclosques senzill, de poques peces, com els infantils. Suposem, per exemple, que té cinc peces i que el tenim acabat, amb totes les peces ben encaixades. Doncs bé, si el deixem caure a terra, les cinc peces de ben segur que se separaran. Però, imaginem-nos ara que refem el trencaclosques i que aquesta vegada el tirem a terra amb força. Veurem que, a més de les cinc peces que ens esperàvem, potser n’hi ha dues o tres més. I si repetim tota l’operació i llancem el trencaclosques a terra encara amb més força, el total de peces podrà pujar a deu, onze o potser més. Això, per estrany que pugui semblar, és el que passa en el món nuclear o subnuclear, però amb la diferència que en el cas del trencaclosques l’energia que hem emprat per a tirar-lo a terra ha servit per a trencar la "matèria" de les peces que el formen, i, en el cas del nucli de l’àtom, l’energia emprada per a trencar-lo serveix per a afegir matèria a la que ja existeix. Es tracta d’una manifestació del principi d’equivalència entre matèria i energia que hem esmentat i que va ser enunciat per Albert Einstein. En definitiva, quan s’intenta fragmentar un nucli o qualsevol partícula elemental, una part de l’energia emprada es manifesta, després del cop, amb l’aparició d’altres partícules, la massa de les quals equival a l’energia gastada per a crear-les.

L’equivalència funciona també en sentit invers. Hi ha processos en què una part de la massa posada en joc "desapareix" per transformar-se en una forma d’energia. A més, moltes de les partícules generades, per exemple, per un cop prou violent, tenen una vida extremament breu i es desintegren (es transformen) en partícules més lleugeres i en energia.

Famílies de partícules: hadrons i leptons

L’explicació anterior permet intuir fàcilment que, a més d’electrons, protons i neutrons, hi ha un nombre molt elevat d’altres partícules dotades d’una vida més o menys efímera, cadascuna de les quals té propietats característiques. Cada partícula té un nom, si bé ara no fa al cas donar-ne una llista completa. Només cal saber que n’existeixen dues grans famílies. Una comprèn les partícules sensibles a la "cola d’enganxar" de què parlàvem abans, que manté units els protons i els neutrons. És la família dels hadrons, mot que prové d’un terme grec que significa "fort", entre altres coses. L’altra família que considerarem és la dels leptons, del grec "lleuger", composta per les partícules que, com l’electró, no són retingudes per la interacció forta, que és la designació més apropiada del que fins ara hem anomenat "cola".

Els físics han intentat llargament de posar ordre al garbuix d’hadrons que l’experiència proporciona i per fi han trobat la manera de simplificar-ne el quadre. Els ha ajudat el fet que, en l’intent de trencar un protó per veure com és per dins, ha resultat com si en el protó hi hagués tres granets (com les llavors d’una poma, però en nombre diferent). S’ha trobat que tots els hadrons es poden considerar compostos de partícules més petites, encara més elementals, que anomenem quarks. Aquest nom, proposat el 1961 pel físic nord-americà Murray Gell-Mann, procedeix d’una frase enigmàtica d’un conte de l’escriptor irlandès James Joyce i sembla que no significa res en especial, ni tan sols en anglès.

La idea és la següent. Així com els nuclis de tots els àtoms són igualment compostos de protons i neutrons, també tots els hadrons, inclosos protons i neutrons, són compostos de quarks. Per dir-ho més ben dit, tot un subgrup d’hadrons, el dels barions (del grec baros, pesant), que inclou protons i neutrons, és format per partícules compostes cadascuna per tres quarks; un altre subgrup, el dels mesons, comprèn partícules compostes per dos quarks. Els quarks gaudeixen d’una propietat sorprenent, ja que és impossible aïllar-los individualment. Aquesta propietat és coneguda per les teories físiques actuals com a confinament.

Els quarks, pel que se sap, són sis, i s’apleguen en tres grups de dos. De cada quark n’hi ha tres "varietats" diferents. Les propietats en què es basa aquesta classificació són del tot estranyes a l’experiència quotidiana i només es poden definir matemàticament. Per designar-les es recorre a expressions fantasioses com "sabor" o "color", que no tenen res a veure amb el significat comú d’aquests termes. Quant als leptons, com l’electró, no sembla que es puguin fragmentar en més parts.

Podem afirmar, doncs, que hem arribat als elements fonamentals que constitueixen la matèria? Hi ha hi qui sosté la hipòtesi, per diverses raons, que també els quarks són compostos d’altres partícules...

Les antipartícules

Per ser exactes, també cal esmentar que cadascuna de les partícules de què hem parlat té, per dir-ho d’alguna manera, un "bessó" vist en un mirall, és a dir, una antipartícula. De fet, quan ens emmirallem, veiem una imatge igual a nosaltres mateixos en tot, llevat que el nostre costat dret es converteix en l’esquerre de la imatge i viceversa. Doncs bé, imaginem que existeix de debò una persona amb les característiques de la nostra imatge reflectida pel mirall. Aquest "altre jo" correspondria a la nostra "antipartícula". En el cas de les partícules subatòmiques, les propietats de "reflectir en el mirall" són molt menys intuïtives que la d’una simple imatge, però el principi és el mateix. Podem dir que, si una propietat determinada és expressable amb un número dotat d’un signe positiu o negatiu, aquest signe canvia en passar a l’antipartícula. Posem com a exemple l’electró. La seva antipartícula (descoberta el 1932) s’anomena positró i és igual en tot a l’electró, però té una càrrega positiva i no pas negativa. El positró no s’ha de confondre amb el protó. El protó és molt més pesant i és un hadró, mentre que el positró és un leptó com l’electró. Els quarks de què hem parlat abans també tenen els seus corresponents antiquarks.

Partícules i energia

Components principals de l'àtom amb la indicació aproximada de les dimensions de les diferents partícules. Els gluons cohesionen el nucli, i els fotons, l'àtom.

ECSA

Després d’haver descrit la matèria, tornem ara a parlar de l’energia. Hem vist com, en el món subatòmic, la distinció entre els dos conceptes es difumina una mica. En realitat, en la descripció dels fenòmens a aquesta escala, l’equivalència entre matèria i energia es revela encara més profunda.

Per explicar-nos una mica millor, fixem-nos en la llum, que en la vida de cada dia es pot considerar una forma típica d’energia que es propaga en l’espai. Doncs bé, si considerem la llum a escala atòmica, constatem que es propaga com si fos un feix de "corpuscles" que viatgen junts. Aquests corpuscles els anomenem fotons (vegeu "Ones, so i llum"). Un fotó es comporta, en general però no pas sempre, precisament, com si fos una partícula i, aleshores, més que mai, el límit entre matèria i energia és mòbil i incert.

El que hem dit sobre el fotó val també per a altres intercanvis d’energia entre les partícules esmentades en l’apartat anterior. Aquests intercanvis es poden descriure com la propagació de certes "partícules". Així, per exemple, tenim dues partícules W (una amb càrrega positiva i l’altra amb càrrega negativa) i una Z (neutra), descobertes experimentalment pel físic italià Carlo Rubbia, premi Nobel el 1984, i s’accepta l’existència hipotètica dels gluons (del terme anglès glue, que vol dir "cola"), que transfereixen l’energia que uneix els quarks. Podem dir que el món subatòmic és poblat d’"objectes", una de les propietats dels quals és l’anomenada "energia", que es pot manifestar o ser descrita com a massa o bé, de vegades, en altres termes.

El model estàndard

Diagrames de Feynman que descriuen processos d'interacció feble entre un electró e i un neutrí v. És una simplificació simbòlica d'una representació matemàtica molt complexa.

ECSA

La descripció sumària que acabem de fer del món de les partícules elementals correspon a un marc teòric, l’anomenat model estàndard, que engloba tres de les quatre interaccions que es coneixen, que són la interacció forta, l’electromagnètica i la feble (vegeu "Moviment, forces i equilibri"). La quarta, la interacció gravitatòria, s’estudia a part. El món de les interaccions fortes, responsables de l’estabilitat dels nuclis atòmics i també de la composició dels hadrons en quarks, que acabem d’esmentar, està descrit matemàticament per una teoria que rep el nom de cromodinàmica quàntica, concebuda al començament dels anys setanta. Les interaccions febles descriuen processos com la desintegració beta, en la qual un neutró es converteix en un protó alhora que apareix un electró i un altre leptó, anomenat neutrí. De la interacció electromagnètica se’n parla més endavant (vegeu "Electricitat i magnetisme"), encara que ja podem dir que la teoria actual que l’estudia rep el nom d’electrodinàmica quàntica. El model matemàtic que unifica les interaccions electromagnètiques amb les febles es coneix com la teoria electrofeble, que va ser ideada el 1967. El conjunt de la teoria electrofeble i la cromodinàmica quàntica és el que hem anomenat abans model estàndard.

Heu notat de ben segur que totes aquestes teories porten el qualificatiu de quàntiques. Això és així perquè els principis físics que les sustenten es basen en la mecànica quàntica. La mecànica quàntica, apareguda cap als anys vint, és una de les grans revolucions científiques del segle XX i s’allunya completament de la imatge clàssica del món físic determinista. El model atòmic de Rutherford (vegeu "El model atòmic de Rutherford") o el principi d’incertesa de Heisenberg (consulteu a "El principi de Heisenberg") són prolegòmens de la física quàntica. El món real és quàntic. Els processos a escala atòmica —per exemple les reaccions químiques o l’enllaç químic— són també quàntics (vegeu "Àtoms, molècules i compostos"), encara que en altres aspectes de la nostra experiència quotidiana podem valer-nos dels models de la física clàssica.

L’altra gran revolució de la física del segle XX és la teoria de la relativitat general (vegeu "El temps"), que també es coneix com la teoria d’Einstein de la gravitació. La teoria de la relativitat general és clàssica, per contraposar-la a les teories quàntiques de què hem parlat abans. De la mateixa manera que la teoria electromagnètica de Maxwell és clàssica i adquireix el seu estatus quàntic amb l’electrodinàmica quàntica, cal trobar també una versió quàntica per a la relativitat general. El paper del fotó en l’electromagnetisme és representat aquí per una nova partícula, anomenada gravitó, que per ara ha estat completament indetectable. La conciliació, però, de la relativitat general amb els principis quàntics no ha pogut encara produir-se del tot. Els físics, per ara, no se n’han sortit, tot i que hi ha algunes teories agosarades que preveuen troballes revolucionàries quan, finalment, es disposi d’una teoria quàntica de la gravitació.

Les supercordes

Diagrames de la teoria de les supercordes, que no pretenen descriure les partícules puntualment, sinó com estats de vibració de la supercorda.

ECSA

Avui existeix un model matemàtic, molt sofisticat, que permet la conciliació de la interacció gravitatòria amb els principis quàntics. Aquest model també conté el model estàndard descrit més amunt. Es tracta, de fet, d’un model que ho unificaria tot, de manera que les quatre interaccions fonamentals (les tres esmentades en l’apartat anterior més la gravitatòria) serien aspectes d’un únic principi bàsic. Tindríem la teoria del tot. Doncs bé, avui tenim un ferm candidat per a aquesta teoria del tot. És la teoria de les supercordes. Diem que només és un candidat, perquè, d’una banda, no està ni de bon tros completament desenvolupada, i, de l’altra, és una teoria que encara no s’ha pogut corroborar experimentalment.

Però, què és la teoria de les supercordes? Costa una mica de donar imatges intuïtives i de fàcil comprensió d’una teoria com aquesta, de gran complexitat matemàtica. Però sí que se’n pot dir un parell de coses. La primera es refereix a l’etimologia. Efectivament, la paraula corda no hi és perquè sí. Podem pensar en un violí i les diferents notes que poden obtenir-se en passar l’arquet sobre el pont, segons la vibració a què se sotmeten les cordes. Doncs bé, la teoria de les supercordes considera, anàlogament, que les partícules elementals són estats de vibració de la supercorda, que no deixa de ser un ens matemàtic unidimensional. El prefix "super" davant de "corda" indica que la teoria té una simetria especial, la supersimetria. Com a tal, la supersimetria encara no ha estat verificada experimentalment, tot i que es creu que podria ser-ho en un temps no gaire llunyà, potser en els pròxims anys. El mostrari de les partícules elementals creixeria si la supersimetria es confirmés. Si fos així, es donaria una empenta formidable a la teoria de les supercordes, que avui encara és purament especulativa.

Hi ha un segon aspecte interessant que convé subratllar, ja que raons de consistència matemàtica suggereixen una situació ben curiosa. El conjunt espai-temps, en comptes de les quatre dimensions que li atribuïm (tres per a l’espai i una per al temps), n’hauria de tenir deu. Aquesta consideració potser podria desanimar algú, ja que no encaixa amb l’espai-temps que coneixem. Però hi ha algunes aproximacions enginyoses que poden aportar solucions constructives. Podríem pensar que sis d’aquestes dimensions estan plegades. De la mateixa manera que podríem enrotllar un paper fins que en la pràctica ens quedés com un fil, també podria ser que, fet i debatut, ens quedéssim amb les quatre dimensions ordinàries, perquè les altres sis s’han enrotllat tant que resulten imperceptibles.

La revolució de la teoria de les supercordes començà el 1984, però continua sent encara una teoria sense confirmació experimental. Tot i això, és l’únic candidat que coneixem, des del punt de vista matemàtic, capaç d’unificar tot el marc de les interaccions fonamentals. La teoria de les supercordes també tindria a dir la seva en l’evolució de l’univers primitiu, en una època molt remota, a prop del Big Bang. De fet, certs càlculs matemàtics de la teoria dels forats negres (vegeu a "Púlsars i forats negres") es pogueren realitzar per primera vegada el 1996 gràcies al desenvolupament de la teoria de les supercordes.

Aquest resultat tan remarcable omple d’optimisme la comunitat dels físics teòrics, els quals continuen insistint en aquesta teoria, que ha esdevingut també una font de brillants resultats matemàtics. El balanç definitiu ens el donarà el futur. Però, si hem dit abans que la teoria de la relativitat general i la física quàntica són les dues grans revolucions de la física del segle XX, és possible que, gairebé sense adonar-nos-en, s’estigui desenvolupant davant els nostres ulls la tercera gran revolució.

Els estats de la matèria

Hem dit fa un moment que la matèria és composta essencialment per molècules que es presenten agrupades. D’altra banda, si mirem al nostre voltant, l’experiència ens diu que una substància determinada pot aparèixer en formes o estats físics diferents. L’exemple més senzill i comú és el de l’aigua: la trobem en forma líquida, en forma sòlida (gel o neu) o en forma gasosa (vapor). Què és el que determina la diferència entre els estats de la matèria? Els físics consideren que en els diferents estats les molècules es comporten i actuen de manera diferent i que en aquests comportaments diversos intervé altre cop el factor energia. Vegem de quina manera.

Energia cinètica i energia potencial

Quan s'estira o es comprimeix una molla s'efectua un treball que es transforma en energia elàstica, la qual resta "emmagatzemada" en la molla. Però, quan aquesta molla es deixa anar, l'energia és restituïda com a energia cinètica.

ECSA

Les molècules d’una substància, en un estat qualsevol, no estan mai immòbils ocupant una posició determinada en l’espai, sinó que s’agiten contínuament de manera desordenada, movent-se d’ací d’allà. De vegades el moviment correspon a un veritable desplaçament, i d’altres a una vibració, una oscil·lació al voltant d’una posició fixa.

Allò que determina aquest comportament és la calor, que és una forma d’energia desordenada, és a dir, no actua sobre la matèria de manera regular i en una direcció concreta ja que, com més en conté la substància, més ràpid és el moviment desorganitzat de les molècules. Dit en altres paraules, la calor és una energia de moviment o energia cinètica desordenada de què disposen les molècules. La calor tendeix a distribuir-se de manera uniforme en aquells agregats moleculars que anomenem substàncies o cossos.

D’altra banda, les molècules també disposen d’una segona forma d’energia, anomenada energia potencial. El concepte d’energia potencial és una mica més complicat que el d’energia cinètica, i per a entendre’l pot anar bé posar un exemple. Pensem en una molla metàl·lica normal, en forma d’espiral, i imaginem que l’estirem una mica i després en fixem els dos extrems amb solidesa. La molla està quieta, però en certa manera conté l’energia que hem gastat per a estirar-la. De fet, disposa d’una energia potencial, ja que si deixéssim anar els extrems, la molla es tornaria a contreure i tornaria a l’estat de repòs i, en aquest moviment, seria capaç de fer un treball. Precisament, el treball corresponent a l’energia potencial que posseïa inicialment. El raonament és igualment vàlid si imaginem que, en comptes d’estirar-la, comprimim la molla i després en fixem els extrems.

L’exemple de la molla ens suggereix la idea que hi ha una posició intermèdia entre la compressió i la tensió, una posició que correspon a l’estat de repòs i a la qual podem atribuir una energia potencial nul·la. En efecte, una llei general de la física diu que un sistema físic lliure d’influències externes tendeix a disposar-se en una configuració que en redueixi al mínim l’energia potencial.

Es pot dir que, gràcies a l’estructura elèctrica, les molècules d’una substància "senten" la presència les unes de les al-tres, és a dir, interactuen i tendeixen a moure’s. Si aquesta tendència és contrarestada per alguna cosa que els impedeixi el moviment, com en el cas de la molla quan es fixa pels extrems, aleshores es pot dir que també posseeixen una energia potencial, que depèn de la seva naturalesa i de la situació de les unes respecte a les altres. En canvi, si la tendència de les molècules a moure’s no és contrarestada, es desplacen fins que troben una disposició, un ordre determinat on reposar i on, per tant, l’energia potencial és mínima.

L’exemple de la molla estirada o contreta ens permet entendre que l’energia cinètica i l’energia potencial es complementen. L’una creix a costa de l’altra. En efecte, quan la molla es fixa no es mou i, per tant, no té energia cinètica, però sí que posseeix una certa energia potencial; en canvi, quan es deixa anar adquireix energia cinètica i perd energia potencial. Pel que fa al món de les molècules, el contrast entre energia tèrmica (energia cinètica desordenada) i energia potencial es fa palès pel fet que l’energia tèrmica tendeix a generar desordre, mentre que l’energia potencial promou l’ordre.

Els sòlids, els líquids i els gasos

L’energia total d’una molècula (que anomenarem E) que és en un medi juntament amb altres molècules és la suma de l’energia cinètica (de símbol K), associada al seu moviment, i per tant a la temperatura del medi, i de l’energia potencial (de símbol U), ocasionada per la presència de les altres molècules. L’energia potencial considerarem que és nul·la a l’infinit, i així només ens interessarà la diferència d’energia potencial en una situació i una altra. Si E és negativa, la molècula no es podrà desplaçar il·limitadament, ja que només pot trobar-se en regions on l’energia cinètica K = E – U sigui positiva. En aquest cas, les molècules troben "més convenient" des del punt de vista energètic quedar-se juntes, prop les unes de les altres. És més, si el valor negatiu de E és prou gran, tendiran a ocupar de manera estable la posició que minimitza l’energia potencial. El que s’obté així és un sòlid, o més ben dit, un sòlid cristal·lí perquè les molècules tendeixen a disposar-se segons un esquema regular ordenat, que s’anomena retícula cristal·lina. En realitat, les molècules no estan mai quietes en la seva col·locació ideal, perquè també posseeixen energia cinètica, que és més elevada com més alta és la temperatura, sinó que oscil·len casualment al voltant del lloc que tenen assignat dins la retícula.

Quan considerem un cristall macroscòpic —i de seguida ens imaginem pedres precioses, oi que sí?— tractem precisament amb molècules disposades amb regularitat en una retícula que engloba tot l’objecte. Aleshores, es parla de monocristall. Però un tros de ferro normal també és un material cristal·lí. La diferència respecte del diamant, per exemple, és que el ferro és constituït per un gran nombre de grànuls cadascun dels quals és un petit monocristall o un microcristall. Cada microcristall és format a partir del mateix tipus de retícula, però les diverses retícules no casen entre elles, i els grànuls s’orienten de manera casual els uns respecte als altres. Llavors, es diu que el material és policristal·lí.

La major part dels sòlids són cristal·lins, però no tots. N’hi ha alguns les molècules dels quals oscil·len, cadascuna d’elles, al voltant d’una posició estable, però les diferents posicions es distribueixen casualment en l’espai, sense seguir una estructura ordenada. Aquest és el cas dels vidres, anomenats així precisament a partir del nom amb què coneixem el vidre comú. En realitat, les molècules dels vidres poden canviar de posició molt lentament. El material es pot moure com un fluid, però com que això passa en temps molt llargs no ens n’adonem. En definitiva, els vidres són una mena de líquids "congelats".

Hem vist també que en un sòlid les molècules es mouen vibrant casualment al voltant d’una posició fixa. L’amplitud de la vibració depèn de la temperatura, en el sentit que com més alta sigui aquesta, més ampla serà la vibració. Per sobre d’una certa temperatura, l’amplitud de vibració pot resultar més gran que la distància mitjana entre dues molècules. Quan passa això totes les molècules queden pràcticament lliures de desplaçar-se per tot arreu del material, i l’ordre del cristall és substituït per una configuració desordenada i canviant. L’energia total E de cada molècula roman negativa, la qual cosa significa que el material tendeix a continuar agregat i a conservar un volum propi, però ha esdevingut un fluid o, més ben dit, un líquid, i ja no té forma pròpia sinó que adopta la del recipient que el conté.

Tant en el cas dels sòlids com en el dels líquids, l’energia total de cada molècula, això és, la suma de la seva energia potencial i de la seva energia cinètica, resulta de mitjana negativa, la qual cosa significa que per a les molècules és energèticament convenient quedar-se juntes. Parlem aleshores d’estats agregats de la matèria. Però si la temperatura és prou alta pot succeir que el terme d’energia cinètica, positiu, predomini sobre el d’energia potencial, negatiu, i consegüentment la suma de tots dos, que és l’energia total, resulti positiva. Aleshores estem en presència d’un gas, i les molècules ja no estan unides entre elles, sinó que es mouen de manera casual en totes direccions topant les unes contra les altres i contra les parets que les contenen. Un gas no té ni forma ni volum propis, i adquireix els del recipient, contra el qual exerceix una pressió proporcional a la temperatura.

Transicions de fase

Diagrama de fases d'un sol component amb la corba de fusió F, la corba de sublimació S i la corba de vaporització V. La intersecció de les tres corbes es denomina punt triple.

ECSA

Gràcies a la descripció donada fins ara resulta clar que una mateixa substància es pot presentar, en principi, en diversos estats físics segons la temperatura que tingui. Un cas concret podria ser el següent. Partim d’un objecte en estat sòlid i li proporcionem calor. La temperatura pujarà i en un moment determinat, assolit el valor crític, si encara continuem subministrant-li calor, el sòlid es transformarà en líquid. Si la temperatura puja encara més i s’arriba a un altre valor crític, es passarà de l’estat líquid al gasós. Naturalment, el procés també es pot donar en sentit invers, és a dir, en el sentit del refredament, però sempre amb les mateixes temperatures crítiques. Els canvis d’estat de què estem parlant s’anomenen transicions de fase.

En el cas del pas de sòlid a líquid s’esdevé una fusió, mentre que el procés invers s’anomena, òbviament, solidificació. De líquid a gas s’esdevé l’evaporació o vaporització, i a l’inrevés és la condensació.

En condicions determinades també es pot donar un pas directe de la fase sòlida a la gasosa, sense passar per la fase líquida intermèdia. Aleshores es parla de sublimació. Un exemple d’aquest darrer cas pot ser l’anomenat gel sec, que no és sinó diòxid de carboni sòlid, que en escalfar-se passa directament de sòlid (o sigui, de "gel") a gas.

Però analitzem amb més deteniment encara el que passa en una transició de fase. Considerem, per exemple, el pas de sòlid a líquid. Si tenim una temperatura lleugerament inferior a la crítica, la situació energètica més "convenient" és la del sòlid; però si la temperatura és lleugerament superior a la crítica, "convé" més el líquid. Què passa quan s’assoleix exactament la temperatura crítica? El sòlid i el líquid poden coexistir i l’energia cinètica mitjana de les molècules és la mateixa per a tots dos mentre la temperatura sigui igual. La diferència entre sòlid i líquid rau en el fet que el sòlid és més ordenat, la qual cosa fa que la seva energia potencial sigui més fortament negativa que la del líquid. Per tant, si partim d’una situació inicial en què la temperatura és la de transició i tot el material és sòlid i imaginem que proporcionem calor, aquesta escalfor no fa augmentar la temperatura, sinó que incrementa l’energia potencial (l’augmenta apropant-la al valor zero) de manera que permet el pas de l’ordre cap al desordre. Fins que tot el sòlid no s’ha transformat en líquid, la temperatura no varia encara que continuï rebent calor. Aquesta és una característica de la transició de fase.

Un exemple concret és el de l’ebullició de l’aigua. Si en posem una olla al foc, quan la temperatura arriba als 100°C, l’aigua comença a bullir i després, encara que el foc continuï encès, la temperatura es manté a 100°C mentre quedi líquid. La calor que cal proporcionar o restar, a temperatura constant, perquè es produeixi una transició de fase rep el nom de calor latent.

El plasma, un quart estadi de la matèria

Hem descrit tres estats de la matèria: sòlid, líquid i gasós. Són els únics possibles? Si el component fonamental que es considera és la molècula elèctricament neutra, la resposta és que sí. Però si considerem un gas i l’escalfem moltíssim, en un cert moment els xocs ocasionals entre molècules esdevenen tan violents que les trenquen en parts que resulten carregades elèctricament, les unes amb signe positiu i les altres amb signe negatiu. En realitat, normalment les "parts" negatives són simples electrons, mentre que el que queda de les molècules de les quals han estat arrencats els electrons és un conjunt d’ions positius (com veurem amb més detall a "Àtoms, molècules i compostos"). La mescla d’electrons i ions positius a una temperatura molt elevada s’assembla a un gas, però en realitat, com que és constituïda per partícules amb càrrega elèctrica, posseeix determinades propietats electromagnètiques. Es tracta d’un plasma. El plasma es considera un veritable quart estat de la matèria.