¿Cómo afecta la temperatura al metal?

Los metales son elementos o compuestos con excelente conductividad tanto para la electricidad como para el calor, lo que los hace útiles para una amplia gama de propósitos prácticos. La tabla periódica contiene actualmente 91 metales y cada uno tiene sus propias propiedades específicas. Las propiedades eléctricas, magnéticas y estructurales de los metales pueden cambiar con la temperatura y, por lo tanto, proporcionar propiedades útiles para dispositivos tecnológicos. Comprender los impactos de la temperatura en las propiedades de los metales le brinda una apreciación más profunda de por qué se usan tan ampliamente en el mundo moderno.

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La temperatura afecta al metal de muchas formas. Una temperatura más alta aumenta la resistencia eléctrica de un metal y una temperatura más baja la reduce. El metal calentado sufre una expansión térmica y aumenta de volumen. El aumento de la temperatura de un metal puede hacer que experimente una transformación de fase alotrópica, lo que altera la orientación de sus átomos constituyentes y cambia sus propiedades. Finalmente, los metales ferromagnéticos se vuelven menos magnéticos cuando pueden calentarse más y perder su magnetismo por encima de la temperatura de Curie.

A medida que los electrones fluyen a través de la mayor parte de un metal, se dispersan entre sí y también fuera de los límites del material. Los científicos llaman a este fenómeno "resistencia". Un aumento de temperatura da a los electrones más energía cinética, aumentando su velocidad. Esto conduce a una mayor cantidad de dispersión y una mayor resistencia medida. Una disminución de la temperatura conduce a una reducción de la velocidad de los electrones, disminuyendo la cantidad de dispersión y la resistencia medida. Los termómetros modernos utilizan el cambio en la resistencia eléctrica de un cable para medir los cambios de temperatura.

Un aumento en la temperatura conduce a un pequeño aumento en la longitud, el área y el volumen de un metal, llamado expansión térmica. La magnitud de la expansión depende del metal específico. La expansión térmica resulta del aumento de las vibraciones atómicas con la temperatura, y la consideración de la expansión térmica es importante en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, al diseñar las tuberías en los baños, los fabricantes deben tener en cuenta los cambios estacionales en la temperatura para evitar que las tuberías revienten.

Las tres fases principales de la materia se denominan sólida, líquida y gaseosa. Un sólido es una matriz de átomos densamente empaquetada con una simetría cristalina particular conocida como alótropo. Calentar o enfriar un metal puede provocar un cambio en la orientación de los átomos con respecto a los demás. Esto se conoce como transformación de fase alotrópica. Un buen ejemplo de una transformación de fase alotrópica se ve en el hierro, que pasa de la fase alfa a temperatura ambiente al hierro en fase gamma a 912 grados Celsius (1.674 grados Fahrenheit). La fase gamma del hierro, que es capaz de disolver más carbono que la fase alfa, facilita la fabricación de acero inoxidable.

Los metales espontáneamente magnéticos se denominan materiales ferromagnéticos. Los tres metales ferromagnéticos a temperatura ambiente son el hierro, el cobalto y el níquel. Calentar un metal ferromagnético reduce su magnetización y, finalmente, pierde por completo su magnetismo. La temperatura a la que un metal pierde su magnetización espontánea se conoce como temperatura de Curie. El níquel tiene el punto Curie más bajo de los elementos individuales y deja de ser magnético a 330 grados Celsius. (626 grados Fahrenheit), mientras que el cobalto permanece magnético hasta 1.100 grados Celsius (2.012 grados Fahrenheit).