Hvordan påvirker temperaturen metal?

Metaller er elementer eller forbindelser med fremragende ledningsevne til både el og varme, hvilket gør dem nyttige til en bred vifte af praktiske formål. Det periodiske bord indeholder i øjeblikket 91 metaller, og hver har sine egne specifikke egenskaber. Metallernes elektriske, magnetiske og strukturelle egenskaber kan ændre sig med temperatur og derved tilvejebringe nyttige egenskaber til teknologiske enheder. At forstå temperaturens indflydelse på metallernes egenskaber giver dig en dybere forståelse for, hvorfor de er så vidt anvendte i den moderne verden.

TL; DR (for lang tid, ikke læst)

TL; DR

Temperatur påvirker metal på mange måder. En højere temperatur øger metalets elektriske modstand, og en lavere temperatur reducerer den. Opvarmet metal gennemgår termisk ekspansion og stigninger i volumen. Forøgelse af temperaturen af ​​et metal kan medføre, at den undergår allotrop fase-transformation, som ændrer orienteringen af ​​dets bestanddele og ændrer dens egenskaber. Endelig bliver ferromagnetiske metaller mindre magnetiske, når de kan blive varmere og mister deres magnetisme over Curie-temperaturen.

Elektronisk spredning og modstand

Da elektroner strømmer gennem størstedelen af ​​et metal, spredes de ud hinanden og også uden for materialets grænser. Forskere kalder dette fænomen "modstand." En stigning i temperaturen giver elektronerne mere kinetisk energi og øger deres hastighed. Dette fører til en større mængde spredning og en højere målt modstand. Et fald i temperaturen fører til en reduktion i elektronhastigheden, hvilket reducerer mængden af ​​spredning og den målte modstand. Moderne termometre bruger ændringen i elektrisk modstand af en ledning til at måle ændringer i temperaturen.

Termisk udvidelse

En stigning i temperaturen fører til en lille stigning i længde, areal og volumen af et metal kaldet termisk ekspansion. Størrelsen af ​​ekspansionen afhænger af det specifikke metal. Termisk ekspansion skyldes stigningen i atomvibrationer med temperatur, og hensynet til termisk ekspansion er vigtig i en række anvendelser. For eksempel skal fabrikanterne tage højde for sæsonmæssige ændringer i temperaturen, når de designer rørledninger i badeværelserne for at undgå sprængningsrør.

Allotropiske fasetransformationer

De tre vigtigste faser af materiel kaldes solide, væske og gas. Et faststof er et tæt pakket antal atomer med en særlig krystalsymmetri kendt som en allotrope. Opvarmning eller afkøling af et metal kan føre til en ændring i atomernes orientering i forhold til de andre. Dette er kendt som en allotrop fase-transformation. Et godt eksempel på en allotrop fase-transformation ses i jern, der går fra alfa-fasen ved stuetemperatur til gamma-fase jern ved 912 grader Celsius (1,674 grader Fahrenheit). Gammafasen af ​​jern, som er i stand til at opløse mere kulstof end alfafasen, letter til fremstilling af rustfrit stål.

Reducere magnetisme

Spontant magnetiske metaller kaldes ferromagnetiske materialer. De tre ferromagnetiske metaller ved stuetemperatur er jern, kobolt og nikkel. Opvarmning af et ferromagnetisk metal reducerer dets magnetisering, og det taber til sidst helt sin magnetisme. Den temperatur, ved hvilken et metal mister sin spontane magnetisering, er kendt som Curie-temperaturen. Nikkel har det laveste Curie-punkt i de enkelte elementer og ophører med at blive magnetiske ved 330 grader Celsius (626 grader Fahrenheit), mens kobolt forbliver magnetisk indtil 1.100 grader Celsius (2.012 grader Fahrenheit).