Πώς επηρεάζει η θερμοκρασία το μέταλλο;

Τα μέταλλα είναι στοιχεία ή ενώσεις με εξαιρετική αγωγιμότητα τόσο για ηλεκτρική ενέργεια όσο και για θερμότητα, καθιστώντας τα χρήσιμα για ένα ευρύ φάσμα πρακτικών σκοπών. Ο περιοδικός πίνακας περιέχει επί του παρόντος 91 μέταλλα και το καθένα έχει τις δικές του συγκεκριμένες ιδιότητες. Οι ηλεκτρικές, μαγνητικές και δομικές ιδιότητες των μετάλλων μπορούν να αλλάξουν με τη θερμοκρασία και έτσι να παρέχουν χρήσιμες ιδιότητες για τεχνολογικές συσκευές. Η κατανόηση των επιπτώσεων της θερμοκρασίας στις ιδιότητες των μετάλλων σας δίνει μια βαθύτερη εκτίμηση για το γιατί χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως στον σύγχρονο κόσμο.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

TL; Δρ

Η θερμοκρασία επηρεάζει το μέταλλο με πολλούς τρόπους. Μια υψηλότερη θερμοκρασία αυξάνει την ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου και μια χαμηλότερη θερμοκρασία το μειώνει. Το θερμαινόμενο μέταλλο υφίσταται θερμική διαστολή και αύξηση του όγκου. Η αύξηση της θερμοκρασίας ενός μετάλλου μπορεί να προκαλέσει μετασχηματισμό αλλοτροπικής φάσης, η οποία αλλάζει τον προσανατολισμό των συστατικών του ατόμων και αλλάζει τις ιδιότητές του. Τέλος, τα σιδηρομαγνητικά μέταλλα γίνονται λιγότερο μαγνητικά όταν μπορούν να ζεσταθούν και να χάσουν τον μαγνητισμό τους πάνω από τη θερμοκρασία Curie.

Καθώς τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του όγκου ενός μετάλλου, διασκορπίζονται μεταξύ τους και επίσης από τα όρια του υλικού. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτό το φαινόμενο «αντίσταση». Η αύξηση της θερμοκρασίας δίνει στα ηλεκτρόνια περισσότερη κινητική ενέργεια, αυξάνοντας την ταχύτητά τους. Αυτό οδηγεί σε μεγαλύτερη ποσότητα σκέδασης και υψηλότερη μετρημένη αντίσταση. Η μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μείωση της ταχύτητας ηλεκτρονίων, μείωση της ποσότητας σκέδασης και της μετρηθείσας αντίστασης. Τα σύγχρονα θερμόμετρα χρησιμοποιούν την αλλαγή στην ηλεκτρική αντίσταση ενός καλωδίου για τη μέτρηση των αλλαγών στη θερμοκρασία.

Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε μικρή αύξηση του μήκους, της περιοχής και του όγκου ενός μετάλλου, που ονομάζεται θερμική διαστολή. Το μέγεθος της διαστολής εξαρτάται από το συγκεκριμένο μέταλλο. Η θερμική διαστολή προκύπτει από την αύξηση των ατομικών δονήσεων με τη θερμοκρασία και η θεώρηση της θερμικής διαστολής είναι σημαντική σε μια ποικιλία εφαρμογών. Για παράδειγμα, κατά το σχεδιασμό σωληνώσεων στα μπάνια, οι κατασκευαστές πρέπει να λάβουν υπόψη τις εποχιακές αλλαγές στη θερμοκρασία για να αποφύγουν τη διάρρηξη των σωλήνων.

Οι τρεις κύριες φάσεις της ύλης ονομάζονται στερεά, υγρά και αέρια. Ένα στερεό είναι μια πυκνά συσκευασμένη σειρά ατόμων με μια συγκεκριμένη κρυσταλλική συμμετρία γνωστή ως αλλότροπο. Η θέρμανση ή ψύξη ενός μετάλλου μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή του προσανατολισμού των ατόμων, σε σχέση με τα άλλα. Αυτό είναι γνωστό ως αλλοτροπικός μετασχηματισμός φάσης. Ένα καλό παράδειγμα μετασχηματισμού αλλοτροπικής φάσης φαίνεται στον σίδηρο, ο οποίος πηγαίνει από τη φάση άλφα σε θερμοκρασία δωματίου σε σίδηρο γάμμα-φάσης στους 912 βαθμούς Κελσίου (1.674 βαθμοί Φαρενάιτ). Η φάση γάμμα του σιδήρου, η οποία είναι ικανή να διαλύσει περισσότερο άνθρακα από την φάση άλφα, διευκολύνει την κατασκευή ανοξείδωτου χάλυβα.

Αυθόρμητα μαγνητικά μέταλλα ονομάζονται σιδηρομαγνητικά υλικά. Τα τρία σιδηρομαγνητικά μέταλλα σε θερμοκρασία δωματίου είναι σίδηρος, κοβάλτιο και νικέλιο. Η θέρμανση ενός σιδηρομαγνητικού μετάλλου μειώνει τον μαγνητισμό του και τελικά χάνει εντελώς τον μαγνητισμό του. Η θερμοκρασία στην οποία ένα μέταλλο χάνει τον αυθόρμητο μαγνητισμό του είναι γνωστή ως η θερμοκρασία Curie. Το νικέλιο έχει το χαμηλότερο σημείο Curie των μεμονωμένων στοιχείων και παύει να γίνεται μαγνητικό στους 330 βαθμούς Κελσίου (626 βαθμοί Φαρενάιτ), ενώ το κοβάλτιο παραμένει μαγνητικό έως 1.100 βαθμούς Κελσίου (2.012 βαθμοί Θερμόμετρο Φαρενάιτ).