Wie wirkt sich die Temperatur auf Metall aus?

Metalle sind Elemente oder Verbindungen mit hervorragender Leitfähigkeit sowohl für Elektrizität als auch für Wärme, was sie für eine Vielzahl praktischer Zwecke nützlich macht. Das Periodensystem enthält derzeit 91 Metalle und jedes hat seine eigenen spezifischen Eigenschaften. Die elektrischen, magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Metallen können sich mit der Temperatur ändern und bieten dadurch nützliche Eigenschaften für technologische Geräte. Wenn Sie die Auswirkungen der Temperatur auf die Eigenschaften von Metallen verstehen, können Sie besser verstehen, warum sie in der modernen Welt so weit verbreitet sind.

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Die Temperatur beeinflusst Metall in vielerlei Hinsicht. Eine höhere Temperatur erhöht den elektrischen Widerstand eines Metalls, eine niedrigere verringert ihn. Erhitztes Metall erfährt eine thermische Ausdehnung und eine Volumenzunahme. Eine Temperaturerhöhung eines Metalls kann dazu führen, dass es eine allotrope Phasenumwandlung durchläuft, die die Orientierung seiner konstituierenden Atome und seine Eigenschaften ändert. Schließlich werden ferromagnetische Metalle weniger magnetisch, wenn sie heißer werden und ihren Magnetismus oberhalb der Curie-Temperatur verlieren.

Wenn Elektronen durch die Masse eines Metalls fließen, streuen sie aneinander und auch an den Grenzen des Materials. Wissenschaftler nennen dieses Phänomen "Widerstand". Eine Temperaturerhöhung verleiht den Elektronen mehr kinetische Energie, wodurch ihre Geschwindigkeit erhöht wird. Dies führt zu einer größeren Streuung und einem höheren gemessenen Widerstand. Eine Temperaturabnahme führt zu einer Verringerung der Elektronengeschwindigkeit, wodurch die Streuung und der gemessene Widerstand verringert werden. Moderne Thermometer verwenden die Änderung des elektrischen Widerstands eines Drahtes, um Temperaturänderungen zu messen.

Eine Erhöhung der Temperatur führt zu einer kleinen Zunahme der Länge, Fläche und des Volumens eines Metalls, die als thermische Ausdehnung bezeichnet wird. Die Größe der Ausdehnung hängt von dem spezifischen Metall ab. Die Wärmeausdehnung resultiert aus der Zunahme atomarer Schwingungen mit der Temperatur, und die Berücksichtigung der Wärmeausdehnung ist bei einer Vielzahl von Anwendungen wichtig. Beispielsweise müssen Hersteller bei der Planung von Rohrleitungen in Badezimmern saisonale Temperaturschwankungen berücksichtigen, um Rohrbrüche zu vermeiden.

Die drei Hauptphasen der Materie heißen fest, flüssig und gasförmig. Ein Festkörper ist eine dicht gepackte Anordnung von Atomen mit einer bestimmten Kristallsymmetrie, die als Allotrop bezeichnet wird. Das Erhitzen oder Abkühlen eines Metalls kann zu einer Änderung der Orientierung der Atome in Bezug auf die anderen führen. Dies wird als allotrope Phasenumwandlung bezeichnet. Ein gutes Beispiel für eine allotrope Phasenumwandlung ist Eisen, das von der Alpha-Phase bei Raumtemperatur in die Gamma-Phase bei 912 Grad Celsius (1.674 Grad Fahrenheit) übergeht. Die Gammaphase des Eisens, die mehr Kohlenstoff lösen kann als die Alphaphase, erleichtert die Herstellung von Edelstahl.

Spontanmagnetische Metalle werden als ferromagnetische Materialien bezeichnet. Die drei ferromagnetischen Metalle bei Raumtemperatur sind Eisen, Kobalt und Nickel. Das Erhitzen eines ferromagnetischen Metalls verringert seine Magnetisierung und es verliert schließlich seinen Magnetismus vollständig. Die Temperatur, bei der ein Metall seine spontane Magnetisierung verliert, wird als Curie-Temperatur bezeichnet. Nickel hat den niedrigsten Curie-Punkt der einzelnen Elemente und wird bei 330 Grad Celsius nicht mehr magnetisch (626 Grad Fahrenheit), während Kobalt bis 1.100 Grad Celsius (2.012 Grad .) magnetisch bleibt Fahrenheit).