Comment la température affecte-t-elle le métal?

Les métaux sont des éléments ou des composés présentant une excellente conductivité pour l'électricité et la chaleur, ce qui les rend utiles pour un large éventail d'applications pratiques. Le tableau périodique contient actuellement 91 métaux, et chacun a ses propres propriétés spécifiques. Les propriétés électriques, magnétiques et structurelles des métaux peuvent changer avec la température et fournir ainsi des propriétés utiles pour les dispositifs technologiques. Comprendre les impacts de la température sur les propriétés des métaux vous permet de mieux comprendre pourquoi ils sont si largement utilisés dans le monde moderne.

TL; DR (trop long; n'a pas lu)

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La température affecte le métal de plusieurs manières. Une température plus élevée augmente la résistance électrique d'un métal et une température plus basse la réduit. Le métal chauffé subit une dilatation thermique et augmente de volume. L'augmentation de la température d'un métal peut lui faire subir une transformation de phase allotropique, ce qui modifie l'orientation de ses atomes constitutifs et modifie ses propriétés. Enfin, les métaux ferromagnétiques deviennent moins magnétiques lorsqu'ils peuvent devenir plus chauds et perdre leur magnétisme au-dessus de la température de Curie.

Lorsque les électrons traversent la masse d'un métal, ils se dispersent les uns les autres ainsi que les limites du matériau. Les scientifiques appellent ce phénomène « résistance ». Une augmentation de la température donne aux électrons plus d'énergie cinétique, augmentant leur vitesse. Cela conduit à une plus grande quantité de diffusion et à une résistance mesurée plus élevée. Une diminution de la température entraîne une réduction de la vitesse des électrons, diminuant la quantité de diffusion et la résistance mesurée. Les thermomètres modernes utilisent le changement de résistance électrique d'un fil pour mesurer les changements de température.

Une augmentation de la température entraîne une légère augmentation de la longueur, de la surface et du volume d'un métal, appelée dilatation thermique. L'amplitude de l'expansion dépend du métal spécifique. La dilatation thermique résulte de l'augmentation des vibrations atomiques avec la température, et la prise en compte de la dilatation thermique est importante dans une variété d'applications. Par exemple, lors de la conception de tuyauteries dans les salles de bains, les fabricants doivent tenir compte des changements saisonniers de température pour éviter l'éclatement des tuyaux.

Les trois phases principales de la matière sont appelées solide, liquide et gazeuse. Un solide est un réseau dense d'atomes avec une symétrie cristalline particulière connue sous le nom d'allotrope. Chauffer ou refroidir un métal peut entraîner un changement d'orientation des atomes par rapport aux autres. C'est ce qu'on appelle une transformation de phase allotropique. Un bon exemple de transformation de phase allotropique est observé dans le fer, qui passe de la phase alpha à température ambiante au fer en phase gamma à 912 degrés Celsius (1674 degrés Fahrenheit). La phase gamma du fer, qui est capable de dissoudre plus de carbone que la phase alpha, facilite la fabrication de l'acier inoxydable.

Les métaux spontanément magnétiques sont appelés matériaux ferromagnétiques. Les trois métaux ferromagnétiques à température ambiante sont le fer, le cobalt et le nickel. Le chauffage d'un métal ferromagnétique réduit son magnétisation et il finit par perdre complètement son magnétisme. La température à laquelle un métal perd son aimantation spontanée est connue sous le nom de température de Curie. Le nickel a le point de Curie le plus bas des éléments individuels et cesse de devenir magnétique à 330 degrés Celsius (626 degrés Fahrenheit), tandis que le cobalt reste magnétique jusqu'à 1 100 degrés Celsius (2 012 degrés Fahrenheit).