I metalli sono elementi o composti con un'eccellente conduttività sia per l'elettricità che per il calore, il che li rende utili per una vasta gamma di scopi pratici. La tavola periodica contiene attualmente 91 metalli e ognuno ha le sue proprietà specifiche. Le proprietà elettriche, magnetiche e strutturali dei metalli possono cambiare con la temperatura e quindi fornire proprietà utili per i dispositivi tecnologici. Comprendere l'impatto della temperatura sulle proprietà dei metalli ti dà un apprezzamento più profondo del perché sono così ampiamente utilizzati nel mondo moderno.
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La temperatura influenza il metallo in molti modi. Una temperatura più alta aumenta la resistenza elettrica di un metallo e una temperatura più bassa la riduce. Il metallo riscaldato subisce dilatazione termica e aumenta di volume. L'aumento della temperatura di un metallo può fargli subire una trasformazione di fase allotropica, che altera l'orientamento dei suoi atomi costituenti e cambia le sue proprietà. Infine, i metalli ferromagnetici diventano meno magnetici quando possono diventare più caldi e perdere il loro magnetismo al di sopra della temperatura di Curie.
Scattering di elettroni e resistenza
Quando gli elettroni fluiscono attraverso la massa di un metallo, si disperdono l'uno con l'altro e anche dai confini del materiale. Gli scienziati chiamano questo fenomeno "resistenza". Un aumento della temperatura conferisce agli elettroni più energia cinetica, aumentando la loro velocità. Ciò porta ad una maggiore quantità di dispersione e ad una maggiore resistenza misurata. Una diminuzione della temperatura porta a una riduzione della velocità degli elettroni, diminuendo la quantità di dispersione e la resistenza misurata. I termometri moderni utilizzano la variazione della resistenza elettrica di un filo per misurare le variazioni di temperatura.
Dilatazione termica
Un aumento della temperatura porta ad un piccolo aumento della lunghezza, dell'area e del volume di un metallo, chiamato espansione termica. L'entità dell'espansione dipende dal metallo specifico. L'espansione termica deriva dall'aumento delle vibrazioni atomiche con la temperatura e la considerazione dell'espansione termica è importante in una varietà di applicazioni. Ad esempio, quando si progettano le tubazioni nei bagni, i produttori devono tenere conto dei cambiamenti stagionali della temperatura per evitare lo scoppio dei tubi.
Trasformazioni di fase allotropiche
Le tre fasi principali della materia sono chiamate solido, liquido e gas. Un solido è una serie densa di atomi con una particolare simmetria cristallina nota come allotropo. Il riscaldamento o il raffreddamento di un metallo può portare a un cambiamento nell'orientamento degli atomi, rispetto agli altri. Questo è noto come trasformazione di fase allotropica. Un buon esempio di trasformazione di fase allotropica è visto nel ferro, che passa dalla fase alfa a temperatura ambiente al ferro in fase gamma a 912 gradi Celsius (1.674 gradi Fahrenheit). La fase gamma del ferro, che è in grado di sciogliere più carbonio della fase alfa, facilita la fabbricazione dell'acciaio inossidabile.
Ridurre il magnetismo
I metalli spontaneamente magnetici sono chiamati materiali ferromagnetici. I tre metalli ferromagnetici a temperatura ambiente sono ferro, cobalto e nichel. Il riscaldamento di un metallo ferromagnetico riduce la sua magnetizzazione e alla fine perde completamente il suo magnetismo. La temperatura alla quale un metallo perde la sua magnetizzazione spontanea è nota come temperatura di Curie. Il nichel ha il punto di Curie più basso dei singoli elementi e cessa di diventare magnetico a 330 gradi Celsius (626 gradi Fahrenheit), mentre il cobalto rimane magnetico fino a 1.100 gradi Celsius (2.012 gradi Fahrenheit).