¿Cuál es la diferencia entre gas y plasma?

¡Buena pregunta! La diferencia definitoria es que en un gas los átomos están intactos y, de hecho, normalmente están unidos en moléculas, mientras que en un plasma al menos algunos de los electrones se separan por completo de sus átomos. En otras palabras, las partículas de un plasma están cargadas, pero las partículas de un gas en su mayoría no tienen carga. Entonces, técnicamente, un plasma no es un gas y se debe decir que una estrella es una bola de plasma, no gas. (En realidad, hay una capa externa delgada llamada fotosfera que en realidad consiste en gas porque la temperatura no es lo suficientemente alta como para formar plasma)

Sin embargo, fuera de la física, la gente a menudo usa la palabra "gas" para referirse a cualquier tipo de sustancia vaporosa, y en ese sentido supongo que un plasma cuenta. Así que hay un sentido en el que la declaración de su amigo podría considerarse correcta. Pero esa es una pregunta para el sitio en inglés.

Los gases son sistemas muy simples. Basta con considerar un sello distintivo de todos los gases, el gas ideal. No hay interacciones entre las partículas allí. Los gases de la vida real tienen algunas interacciones, pero estas pueden tratarse como perturbaciones del gas ideal. Por supuesto, en ciertas partes de los diagramas de fase, los gases son más complicados. Me refiero a las líneas de transición a líquidos y sólidos, por supuesto, y lo que es más importante, a las cosas peculiares que suceden en el punto crítico. Pero lo que normalmente consideramos como gas (por ejemplo, el aire que nos rodea) puede tratarse como un montón de partículas que no interactúan casi en absoluto. En otras palabras, estas partículas son bastante neutrales.

Por otro lado, el plasma no se trata solo de partículas. El plasma consta tanto de partículas como de campos (generalmente un campo EM, pero también hay muchos otros tipos) y existen fenómenos muy complejos que pueden transferir la energía entre los campos y las partículas. Este es un punto muy importante ya que la gente a menudo olvida que los campos son tan fundamentales como las partículas (más fundamentales incluso, ya que según la teoría cuántica de campos (QFT) las partículas son solo porciones locales de algún campo). Entonces, desde el punto de vista de QFT, el plasma es una mezcla de materia y campos de fuerza. Si tratáramos el sistema de partículas cargadas + campo EM en igualdad de condiciones, se describiría mejor como plasma de electrones y fotones. De manera similar, hay un plasma de quarks-gluones (donde la fuerza fuerte en lugar de la fuerza EM es dominante).

Entonces, los dos puntos principales sobre los plasmas son que contienen partículas cargadas (bajo cualquier fuerza) y campos y que son muy complicados (debido a que son muy densos, una condición necesaria para romper las partículas neutras en sus componentes cargados). Si entendiéramos lo suficientemente bien el plasma, seríamos capaces, por ejemplo, de realizar la fusión termonuclear (al menos en principio). Actualmente esto no es posible porque el plasma es muy inestable .

El plasma es considerado como uno de los 4 estados fundamentales de la materia. Las partículas cargadas deben estar lo suficientemente juntas como para que cada partícula influya en muchas partículas cargadas cercanas, en lugar de simplemente interactuar con la partícula más cercana (estos efectos colectivos son una característica distintiva de un plasma). La aproximación de plasma es válida cuando el número de portadores de carga dentro de la esfera de influencia (llamada esfera de Debye cuyo radio es la longitud de proyección de Debye) de una partícula en particular es mayor que la unidad para proporcionar un comportamiento colectivo de las partículas cargadas. El número promedio de partículas en la esfera de Debye viene dado por el parámetro de plasma