Lunghe diatribe sono sorte da questa domanda e oggi ci proponiamo di dare una risposta.

Prima di addentrarci è bene che ripassiamo alcuni concetti.

Stati della materia

Gli stati della materia, o per meglio dire, gli stati di aggregazione della materia sono quattro:

  • solido;
  • liquido;
  • aeriforme;
  • plasma.

Come ben sappiamo, possiamo differenziare i primi tre per capacità di adattamento della propria forma e volume in base al contenitore: il gas prende forma e volume del contenitore, il liquido adatta la propria forma in base al contenitore ma ha un volume (con ottima approssimazione) proprio e il solido ha sia forma che volume ben definiti (salvo deformazioni e/o compressioni). Il plasma è semplicemente un gas ma con qualcosa in più: lo si ha ad alte temperature ed è ionizzato e quindi le cariche negative sono separate da quelle positive; non lo si trova in natura in “condizioni normali” ma in situazioni in cui il campo elettromagnetico è molto intenso (cosa appunto non molto frequente), possiamo trovare del plasma nelle stelle e lo possiamo replicare anche nel forno a microonde (a patto di rischiare di danneggiare lo stesso).

Questi stati sono quelli principali, esistono anche altri stati che si possono ottenere in condizioni molto particolari e che possono essere spiegati grazie alla meccanica quantistica come il condensato di Bose-Einstein, liquido di spin quantistico ed il “neutronio”. Di quest’ultimo vi è solo un’idea teorica e non ne è ancora stata provata l’esistenza, si pensa che le stelle a neutroni siano formate da questa sostanza, un insieme di neutroni appunto, ma non si è ancora sicuri di poter descrivere l’interno di un tale tipo di stella come un mare di neutroni.

Transizioni di stato

Per la maggior parte dei sistemi termodinamici si possono avere transizioni da ogni stato a qualunque altro, tranne per il plasma. Per trasformare un sistema termodinamico allo stato di plasma bisogna passare attraverso lo stato di gas e vice-versa, se siamo in uno stato di plasma dobbiamo passare attraverso la fase gassosa per raggiungere lo stato liquido o solido.

Ciò che caratterizza una transizione di stato è la variazione delle proprietà del sistema, in particolare in presenza di una transizione di fase si hanno singolarità dell’energia libera e/o delle sue derivate.

Si definiscono transizioni di fase del primo ordine quelle transizioni nelle quali si ha un rilascio oppure un assorbimento di calore latente nel punto di transizione, in altre parole si ha una discontinuità nella variazione dell’entropia. Mentre si definiscono transizioni di fase del secondo ordine (o continue) quelle transizioni nelle quali non si ha scambio di calore latente, in questo caso infatti l’entropia non varia bruscamente ma con continuità.

Un esempio di transizione del primo ordine è il passaggio di stato da solido a liquido per l’acqua, la transizione di fase è caratterizzata da uno stato misto solido-liquido in cui l’ambiente scambia energia sotto forma di calore latente (di fusione in questo caso), alla fine del processo di transizione il sistema ha assorbito calore ad una data temperatura costante, di conseguenza l’entropia è variata senza continuità.

Un esempio di transizione del secondo ordine è la transizione ferromagnetismo-paramagnetismo (a patto che il sistema non sia in una dimensione in quanto in questo caso non si avrebbe transizione, o meglio si avrebbe transizione ma nulla) al crescere della temperatura oltre il punto critico (temperatura di Curie). Spiegare qui e ora il processo nei dettagli porterebbe via molto tempo e spazio, possiamo riassumere il fenomeno dicendo che l’energia cinetica media è tale da rompere i legami di accoppiamento tra gli spin. Il motivo per cui non si ha una transizione nel caso di un sistema in una dimensione è ancora più complicato. Per quanto riguarda un sistema in tre dimensioni, beh, al momento il modello di Ising non ha ancora una soluzione analitica.

Solido vs. liquido

Arriviamo ora al punto della questione. Uno dei motivi, il più intuitivo ed elementare, per cui possiamo considerare il vetro come un solido è che quando lo afferriamo o lo mettiamo sul tavolo esso mantiene la sua forma, se lo mettiamo dentro ad un contenitore di qualsiasi forma il nostro campione di vetro non adatta la sua forma come accade, ad esempio, con l’acqua. Inoltre non avendo un reticolo cristallino, lo potremmo classificare come solido amorfo.
Similmente possiamo dare un’interpretazione dinamica considerando il vetro come un materiale altamente viscoso, con una viscosità così grande che versare un “bicchiere” di vetro richiederebbe circa un milione di volte l’età dell’universo. Insomma il vetro sembra avere proprietà meccaniche dei solidi e una struttura amorfa come nei liquidi.
Vediamo ora delle caratteristiche tali per cui possiamo considerare il vetro un liquido:

  • quando raffreddato la struttura del vetro è molto simile a quella del liquido da cui è stato formato;
  • qualsiasi sforzo diverso da zero è sufficiente per far fluire un vetro a qualsiasi temperatura;
  • la terza caratteristica che distingue il vetro da un solido è che alla fine della sua esistenza cristallizza, mentre un cristallo, ad esempio, non scorre né cristallizza perché è già in uno stato solido.

 

Alla luce di queste proprietà si propone una nuova definizione:

Il vetro è uno stato di non-equilibrio, non cristallino della materia che appare solido in tempi brevi ma si rilassa continuamente verso lo stato liquido.