כיצד הטמפרטורה משפיעה על מתכת?

מתכות הן אלמנטים או תרכובות עם מוליכות מצוינת הן לחשמל והן לחום, מה שהופך אותם לשימושיים למגוון רחב של מטרות מעשיות. הטבלה המחזורית מכילה כיום 91 מתכות, ולכל אחת מהן מאפיינים ספציפיים משלה. התכונות החשמליות, המגנטיות והמבניות של מתכות יכולות להשתנות עם הטמפרטורה ובכך לספק תכונות שימושיות למכשירים טכנולוגיים. הבנת ההשפעות של הטמפרטורה על תכונות המתכות נותנת לך הערכה עמוקה יותר מדוע הם נמצאים בשימוש כה נרחב בעולם המודרני.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

TL; ד"ר

הטמפרטורה משפיעה על מתכת בדרכים רבות. טמפרטורה גבוהה יותר מגדילה את ההתנגדות החשמלית של מתכת, וטמפרטורה נמוכה יותר מפחיתה אותה. מתכת מחוממת עוברת התרחבות תרמית ועליה בנפח. העלאת הטמפרטורה של מתכת יכולה לגרום לה לעבור טרנספורמציית פאזה אלוטרופית, שמשנה את כיוון האטומים המרכיבים אותה ומשנה את תכונותיה. לבסוף, מתכות פרומגנטיות הופכות פחות מגנטיות כאשר הן יכולות להתחמם ולאבד את המגנטיות שלהן מעל לטמפרטורת הקירי.

כאשר אלקטרונים זורמים בחלק הארי של המתכת, הם מתפזרים זה מזה וגם מגבולות החומר. מדענים מכנים תופעה זו "התנגדות". עלייה בטמפרטורה מעניקה לאלקטרונים אנרגיה קינטית רבה יותר, מה שמגדיל את מהירותם. זה מוביל לכמות גדולה יותר של פיזור והתנגדות מדודה גבוהה יותר. ירידה בטמפרטורה מובילה לירידה במהירות האלקטרונים, הקטנת כמות הפיזור וההתנגדות הנמדדת. מדחומים מודרניים של ימינו משתמשים בשינוי ההתנגדות החשמלית של חוט למדידת שינויים בטמפרטורה.

עלייה בטמפרטורה מובילה לעלייה קטנה באורך, בשטח ובנפח של מתכת, הנקראת התרחבות תרמית. גודל ההרחבה תלוי במתכת הספציפית. התפשטות תרמית נובעת מעליית הרטט האטומי עם הטמפרטורה, והתחשבות בהתפשטות התרמית חשובה במגוון יישומים. לדוגמא, בעת תכנון צנרת בחדרי אמבטיה, על היצרנים לקחת בחשבון שינויים עונתיים בטמפרטורה כדי למנוע צינורות מתפוצצים.

שלושת השלבים העיקריים של החומר נקראים מוצק, נוזלי וגז. מוצק הוא מערך אטומים צפוף עם סימטריית גביש מסוימת המכונה אלוטרופ. חימום או קירור מתכת יכולים להוביל לשינוי כיוון האטומים, ביחס לאחרים. זה ידוע כטרנספורמציית פאזה אלוטרופית. דוגמה טובה לטרנספורמציית פאזה אלוטרופית נראית בברזל, שעובר משלב האלפא בטמפרטורת החדר לברזל פאזה גמא ב 912 מעלות צלזיוס (1,674 מעלות פרנהייט). שלב הגמא של הברזל, שמסוגל להמיס יותר פחמן מאשר שלב האלפא, מקל על ייצור הנירוסטה.

מתכות מגנטיות ספונטניות נקראות חומרים פרומגנטיים. שלוש המתכות הפרומגנטיות בטמפרטורת החדר הן ברזל, קובלט וניקל. חימום מתכת פרומגנטית מפחית את המגנטיזציה שלה, ובסופו של דבר היא מאבדת לחלוטין את המגנטיות שלה. הטמפרטורה בה מתכת מאבדת ממגנטציה ספונטנית שלה מכונה טמפרטורת הקירי. לניקל נקודת הקירי הנמוכה ביותר מבין היסודות הבודדים ומפסיקה להיות מגנטית ב -330 מעלות צלזיוס (626 מעלות פרנהייט), ואילו קובלט נותר מגנטי עד 1,100 מעלות צלזיוס (2,012 מעלות) פרנהייט).