Kuinka lämpötila vaikuttaa metalliin?

Metallit ovat alkuaineita tai yhdisteitä, joilla on erinomainen johtavuus sekä sähköön että lämpöön, mikä tekee niistä hyödyllisiä moniin käytännön tarkoituksiin. Jaksollisessa taulukossa on tällä hetkellä 91 metallia, ja jokaisella on omat erityisominaisuutensa. Metallien sähköiset, magneettiset ja rakenteelliset ominaisuudet voivat muuttua lämpötilan mukaan ja tarjota siten hyödyllisiä ominaisuuksia teknologisille laitteille. Lämpötilan vaikutusten ymmärtäminen metallien ominaisuuksiin antaa syvemmän arvion siitä, miksi niitä käytetään niin laajasti nykymaailmassa.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

TL; DR

Lämpötila vaikuttaa metalliin monin tavoin. Korkeampi lämpötila lisää metallin sähköistä vastusta ja alempi lämpötila vähentää sitä. Lämmitetylle metallille tapahtuu lämpölaajeneminen ja tilavuuden kasvu. Metallin lämpötilan nostaminen voi aiheuttaa sen, että se käy läpi allotrooppisen faasimuunnoksen, mikä muuttaa sen sisältävien atomien suuntausta ja muuttaa sen ominaisuuksia. Lopuksi ferromagneettisista metalleista tulee vähemmän magneettisia, kun ne voivat kuumentua ja menettää magneettisuutensa Curie-lämpötilan yläpuolella.

Kun elektronit virtaavat suurimman osan metallista, ne hajoavat toisistaan ​​ja myös materiaalin rajoista. Tutkijat kutsuvat tätä ilmiötä "vastarinnaksi". Lämpötilan nousu antaa elektronille enemmän kineettistä energiaa, mikä lisää niiden nopeutta. Tämä johtaa suurempaan sirontaan ja suurempaan mitattuun vastukseen. Lämpötilan lasku johtaa elektroninopeuden laskuun, mikä vähentää sironnan määrää ja mitattua vastusta. Nykypäivän lämpömittarit mittaavat langan sähköisen vastuksen muutosta lämpötilan muutosten mittaamiseen.

Lämpötilan nousu johtaa pieneen metallin pituuden, pinta-alan ja tilavuuden kasvuun, jota kutsutaan lämpölaajenemiseksi. Laajennuksen suuruus riippuu tietystä metallista. Lämpölaajeneminen johtuu atomivärähtelyjen lisääntymisestä lämpötilan kanssa, ja lämpölaajenemisen huomioon ottaminen on tärkeää monissa sovelluksissa. Esimerkiksi kylpyhuonetyyppien suunnittelussa valmistajien on otettava huomioon lämpötilan kausivaihtelut putkien murtumisen välttämiseksi.

Aineen kolmea päävaihetta kutsutaan kiinteäksi aineeksi, nestemäiseksi ja kaasuksi. Kiinteä aine on tiheästi pakattu atomiryhmä, jolla on erityinen kidesymmetria, joka tunnetaan allotrooppina. Metallin kuumentaminen tai jäähdyttäminen voi johtaa atomien suuntauksen muutokseen suhteessa muihin. Tätä kutsutaan allotrooppiseksi faasimuunnokseksi. Hyvä esimerkki allotrooppisesta faasimuunnoksesta nähdään raudassa, joka siirtyy alfa-vaiheesta huoneenlämpötilassa gammafaasirautaan 912 celsiusasteessa (1674 astetta Fahrenheit-astetta). Raudan gammafaasi, joka pystyy liuottamaan enemmän hiiltä kuin alfafaasi, helpottaa ruostumattoman teräksen valmistusta.

Spontaanisti magneettisia metalleja kutsutaan ferromagneettisiksi materiaaleiksi. Kolme ferromagneettista metallia huoneenlämmössä ovat rauta, koboltti ja nikkeli. Ferromagneettisen metallin kuumentaminen vähentää sen magnetoitumista ja lopulta se menettää kokonaan magneettisuutensa. Lämpötila, jossa metalli menettää spontaanin magnetoinnin, tunnetaan Curie-lämpötilana. Nikkelillä on yksittäisten elementtien matalin Curie-piste ja se lakkaa muuttumasta magneettiseksi 330 celsiusasteessa (626 astetta Fahrenheit-astetta), kun taas koboltti pysyy magneettisena 1100 celsiusasteeseen saakka (2012 astetta) Fahrenheit).