Todos os corpos existentes na Terra, assim como todos existentes no Universo têm uma característica em comum: São constituídos por matéria. O que diferencia todos os corpos do Universo portanto é o tipo de matéria, ou seja, a concentração de cada elemento diferente existente na natureza e também seu estado.

Os estados da matéria são cinco: sólido, líquido, gasoso, plasma e zero absoluto.

O primeiro estado da matéria é o estado sólido. Quando a matéria se encontra no estado sólido, ela tem uma forma definida, e independentemente do recipiente em que for colocada, a matéria manterá sua forma. Vamos pensar por exemplo em um automóvel: independentemente de o carro estar na garagem ou em um campo aberto, seu volume será o mesmo para ambos os casos.

Para um líquido no entanto, já temos reações diferentes, o líquido assim como o sólido possui um volume constante e fixo, sendo muito complicada sua compressão ou expansão, porém sua forma depende unicamente do recipiente em que está contido. Se por exemplo tivermos um litro de água dentro de um recipiente muito grande e passarmos esta água para um recipiente onde apenas caiba ½ litro, o volume do recipiente será totalmente preenchido e ½ litro de água vazará para fora dele, no entanto o volume total de água continuará sendo de 1 litro.

No caso gases, temos outro tipo de comportamento: os gases não tem forma definida, e ambas sua forma e seu volume são definidos pelo recipiente que contém o gás. Se tivermos por exemplo um bulbo de aço com duas atmosferas de pressão em seu interior e de repente reduzirmos o volume do bulbo pela metade, de forma que sua área também seja reduzida pela metade, temos que a força é igual à pressão sobre área, resultando assim que a nova pressão atingirá o dobro do valor, e se agora quadruplicarmos o volume do bulbo, o gás voltará a ocupar todo o volume com uma pressão quatro vezes menor. Podemos então concluir que um gás ocupa todo o volume dentro do qual ele é confinado.

O plasma é o caso onde a temperatura é tão alta que não existem mais átomos, mas sim apenas uma sopa de íons, pois todos os elétrons, prótons e nêutrons foram arrancados de perto do núcleo de tão intensa que é a agitação molecular devida à temperatura. Apesar de ser difícil a produção de plasma na Terra devido à necessidade de compartimentos que resistam a temperaturas altíssimas, pesquisadores acreditam que 99% de toda a matéria existente no Universo esteja sob a forma de plasma.

O zero absoluto é apenas um estado teórico, já que a temperatura de zero kelvins é impossível de ser atingida, no entanto supõe-se que à temperatura de zero absoluto, não haveria movimento de prótons, elétrons ou nêutrons em torno de um núcleo. Temos que entender no entanto que esta temperatura é realmente impossível de ser atingida. A uma dada temperatura e pressão, cada substância pode ser encontrada em um estado específico, no entanto deve ficar claro que cada substância é distinta das outras, logo à temperatura ambiente e pressão atmosférica, coexistem os estados sólido(metais), líquido(água), e gasoso(ar).

O quarto estado da matéria

Plasmas na natureza e de laboratório

Plasmas clássicos possuem densidade e temperatura com valores que se distribuem numa larga faixa de abrangência. A densidade varia mais do que 30 ordens de magnitude e a temperatura pode variar mais do que 7 ordens de magnitude. A figura abaixo mostra alguns dos plasmas de laboratório investigados pelo Laboratório Associado de Plasma do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais assim como alguns plasmas que ocorrem na natureza e que são estudados pelas divisões da Coordenadoria de Ciências Espaciais e Atmosféricas do Instituto.

Plasmas na natureza e de laboratório
Plasmas clássicos possuem densidade e temperatura com valores que se distribuem numa larga faixa de abrangência. A densidade varia mais do que 30 ordens de magnitude e a temperatura pode variar mais do que 7 ordens de magnitude. A figura abaixo mostra alguns dos plasmas de laboratório investigados pelo Laboratório Associado de Plasma do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais assim como alguns plasmas que ocorrem na natureza e que são estudados pelas divisões da Coordenadoria de Ciências Espaciais e Atmosféricas do Instituto.

ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA

Estados da matéria, em física clássica, as três formas que pode tomar a matéria: sólida, líquida ou gasosa. Os sólidos se caracterizam por sua resistência a qualquer mudança de forma. Em estado líquido, a matéria cede às forças tendentes a modificar sua forma. Os gases não oferecem nenhuma resistência à mudança de forma e muito pouca às alterações no seu volume.

Líquidos, substâncias em um estado da matéria intermediário entre os estados sólido e gasoso. As moléculas dos líquidos não estão tão próximas quanto as dos sólidos, mas estão menos separadas que as dos gases. Caracterizam-se por uma resistência à fluidez chamada viscosidade. São caraterísticos de cada líquido o ponto de ebulição, o ponto de solidificação e o calor de vaporização (o calor necessário para transformar em vapor uma determinada quantidade do líquido).

Evaporação, conversão gradual de um líquido em gás, sem que ocorra ebulição. Em temperaturas abaixo do ponto de ebulição, é possível que moléculas individuais tenham energia suficiente para escapar da superfície e passar para o espaço acima, na forma gasosa. O processo oposto é a condensação. A passagem de sólido a gás chama-se sublimação.

Sólido, estado físico da matéria, em que as amostras conservam sua forma e tamanho. Os sólidos apresentam uma distribuição regular das partículas atômicas.

Cristal, porção homogênea de matéria com estrutura atômica ordenada e definida e com forma externa limitada por superfícies planas e uniformes, simetricamente dispostas. Os cristais formam-se quando um líquido torna-se lentamente um sólido. Esta formação pode resultar do congelamento, do depósito de matéria dissolvida ou da condensação direta de um gás em um sólido. O estudo do crescimento, forma e geometria dos cristais chama-se cristalografia. Existem seis sistemas cristalinos, caracterizados pelo comprimento e posição de seus eixos (linhas imaginárias que passam pelo centro do cristal e interceptam as faces, definindo relações de simetria no cristal). Os minerais de cada sistema dividem algumas características de simetria e forma cristalina, assim como muitas propriedades ópticas importantes.

Os sistemas cristalinos são: o sistema cúbico, que inclui os cristais com três eixos perpendiculares, dois dos quais têm o mesmo tamanho; o ortorrômbico, que inclui cristais com eixos de tamanhos diferentes e formando entre si ângulos oblíquos, e, por último, o sistema hexagonal, que engloba os cristais com quatro eixos. Alguns elementos ou compostos podem cristalizar em dois sistemas diferentes. Isto dá origem a substâncias que, embora idênticas em composição química, são diferentes em quase todas as demais propriedades físicas. Por exemplo, o carbono cristaliza no sistema cúbico formando o diamante e no sistema hexagonal formando o grafite.

Cristal líquido, substância que se comporta ao mesmo tempo como um líquido e como um sólido. As moléculas de um cristal líquido podem deslocar-se, umas em relação às outras, com bastante facilidade, tal como as de um líquido. No entanto, todas as suas moléculas tendem a estar orientadas do mesmo modo, algo semelhante à estrutura molecular de um cristal sólido. Emprega-se nos mostradores de relógios digitais e calculadoras, televisões em miniatura, computadores portáteis e outros aparelhos.

Fluido, substância que cede imediatamente a qualquer força tendente a alterar sua forma e por isso adapta-se à forma do recipiente. Podem ser líquidos ou gases.

Gás, substância em um dos três estados da matéria comum, que são o sólido, o líquido e o gasoso. Os gases expandem-se livremente até encher o recipiente que os contém, e sua densidade é muito menor que a dos sólidos e a dos líquidos. A teoria atômica da matéria define os estados, ou fases, de acordo com a ordem que envolvem. As moléculas têm uma certa liberdade de movimentos no espaço. Esses graus de liberdade microscópicos estão relacionados com o conceito macroscópico de ordem. As moléculas de um sólido estão dispostas em uma rede e sua liberdade está restrita a pequenas vibrações em torno dos pontos dessa rede. Em troca, um gás não tem uma ordem espacial macroscópica. Suas moléculas se movem aleatoriamente e só estão limitadas pelas paredes do recipiente que as contém. A temperaturas baixas e pressões altas (ou volumes reduzidos), as moléculas de um gás passam a ser influenciadas pela força de atração das outras moléculas e todo o sistema entra em um estado de alta densidade e adquire uma superfície limite. Isso acarreta a entrada no estado líquido. O processo é conhecido como transição de fase ou mudança de estado.

Vapor, substância em estado gasoso. Emprega-se a palavra vapor para referir-se ao estado gasoso de uma substância que normalmente é líquida ou sólida.

Quando confinado, o vapor de uma substância a qualquer temperatura exerce uma pressão conhecida como pressão de vapor. Ao aumentar-se a temperatura da substância, a pressão de vapor eleva-se, como resultado de uma maior evaporação.

Ponto crítico, condições de temperatura e pressão nas quais não se pode liquefazer um gás. A temperatura, a pressão e o volume críticos são as constantes críticas de uma substância.

Temperatura, propriedade dos sistemas que determina se estão em equilíbrio térmico. Se dois corpos têm temperaturas diferentes, o calor flui do mais quente para o mais frio até que as temperaturas sejam idênticas e se alcance o equilíbrio.

As mudanças de temperatura têm de ser medidas a partir de mudanças em outras propriedades. O termômetro convencional mede a dilatação de uma coluna de mercúrio. Se aplica-se calor a um gás, a temperatura pode ser determinada a partir da mudança de pressão.

Existem várias escalas de temperatura: segundo a escala Fahrenheit, o ponto de solidificação da água é 32 °F, e seu ponto de ebulição, 212 °F. A escala Celsius designa 0 °C e 100 °C a estes pontos. Na escala absoluta ou Kelvin, o zero absoluto corresponde a -273,15 °C (0 K) e um kelvin equivale a um grau centígrado.

A temperatura desempenha um papel importante. Assim, as aves e os mamíferos suportam uma variação muito pequena de temperatura corporal. Em temperaturas árticas, o aço se torna quebradiço e os líquidos se solidificam ou são muito viscosos.

Pressão, força por unidade de superfície que exerce um líquido ou um gás perpendicularmente à dita superfície. Costuma ser medida em atmosferas (atm); no Sistema Internacional de unidades (SI), é expressa em newton por metro quadrado, chamada pascal (Pa). A atmosfera é definida como 101.325 Pa, e equivale a 760 mm de mercúrio em um barômetro convencional. Para medir pressões, usam-se os barômetros. Estes costumam medir a diferença entre a pressão do fluido e a atmosférica, e por isto é preciso somar a última para obter a pressão absoluta. Uma leitura negativa corresponde a um vácuo parcial.


O plasma também é chamado de "quarto estado da matéria", em extensão aos estados sólido, líquido e gasoso (esta descrição foi usada primeiramente por William Crookes em 1879). A ilustração mostra como a matéria muda de um estado para outro à medida que se fornece energia térmica à mesma.


Os plasmas possuem todas as propriedades dinâmicas dos fluidos, como turbulência, por exemplo. Como são formados de partículas carregadas livres, plasmas conduzem eletricidade. Eles tanto geram como sofrem a ação de campos eletromagnéticos, levando ao que se chama de efeito coletivo. Isto significa que o movimento de cada uma das partículas carregadas é influenciado pelo movimento de todas as demais. O comportamento coletivo é um conceito fundamental para a definição de plasmas.


Em 1995, físicos da Universidade do Colorado, nos Estados Unidos (EUA), concentraram e congelaram um conjunto de 2 mil átomos de rubídio a uma temperatura de apenas 170 bilionésimos de grau acima do zero absoluto (273 graus Celsius negativos). Com isso, pela primeira vez construíram um condensado de Bose-Einstein – uma minúscula porção de matéria cujas partículas se comportam de maneira extremamente organizada, vibrando com a mesma energia e a mesma direção, como se constituíssem um único superátomo. Esse é o quinto estado da matéria, previsto pelo físico alemão Albert Einstein e pelo matemático indiano Satyendra Nath Bose, em 1924.

Até então, conheciam-se apenas quatro estados: sólido, líquido, gasoso e plasma. Todos ligam-se ao movimento de átomos e de moléculas. Essa movimentação define também a temperatura. Quanto mais eles se mexem, mais alta ela é; quanto menos se movimentam, mais baixa ela fica. O plasma, um tipo de gás ionizado, constitui o estado mais caótico, em que os átomos se movem em diferentes velocidades e direções. A partir daí, a matéria se ordena cada vez mais ao passar para os estados gasoso, líquido e sólido.


Mas somente no quinto estado a organização chega ao extremo. Nele, todas as partículas movem-se coordenadamente, na mesma direção e em velocidade idêntica. Até o feito dos cientistas norte-americanos, somente se conhecia tal organização na luz. No raio laser, todos os raios luminosos alinham-se perfeitamente. Agora os pesquisadores acreditam que com o condensado de Bose-Einstein será possível construir um laser de matéria. Ondas de matéria fluindo com a mesma energia e na mesma direção constituem um instrumento valioso para o estudo das partículas atômicas.