Kā temperatūra ietekmē metālu?

Metāli ir elementi vai savienojumi ar lielisku elektrovadītspēju gan elektrībai, gan siltumam, padarot tos noderīgus visdažādākajos praktiskos nolūkos. Periodiskajā tabulā pašlaik ir 91 metāls, un katram no tiem ir savas specifiskās īpašības. Metālu elektriskās, magnētiskās un strukturālās īpašības var mainīties atkarībā no temperatūras un tādējādi nodrošināt tehnoloģiskām ierīcēm noderīgas īpašības. Izpratne par temperatūras ietekmi uz metālu īpašībām ļauj jums dziļāk novērtēt, kāpēc tos tik plaši izmanto mūsdienu pasaulē.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

TL; DR

Temperatūra metālu ietekmē daudzos veidos. Augstāka temperatūra palielina metāla elektrisko pretestību, un zemāka temperatūra to samazina. Apsildāmajam metālam notiek termiskā izplešanās un tilpuma palielināšanās. Metāla temperatūras paaugstināšana var izraisīt tā alotropās fāzes transformāciju, kas maina tā atomu orientāciju un maina tā īpašības. Visbeidzot, feromagnētiskie metāli kļūst mazāk magnētiski, kad tie var kļūt karstāki un zaudēt magnētismu virs Kirī temperatūras.

Kad elektroni plūst caur metāla lielāko daļu, tie izkliedējas viens no otra un arī no materiāla robežām. Zinātnieki šo fenomenu sauc par "pretestību". Temperatūras paaugstināšanās dod elektroniem vairāk kinētiskās enerģijas, palielinot to ātrumu. Tas noved pie lielāka izkliedes apjoma un lielākas izmērītās pretestības. Temperatūras pazemināšanās noved pie elektronu ātruma samazināšanās, samazinot izkliedes daudzumu un izmērīto pretestību. Mūsdienu termometri temperatūras izmaiņu mērīšanai izmanto stieples elektriskās pretestības izmaiņas.

Temperatūras paaugstināšanās izraisa nelielu metāla garuma, laukuma un tilpuma palielināšanos, ko sauc par termisko izplešanos. Izplešanās lielums ir atkarīgs no konkrētā metāla. Termiskā izplešanās rodas, palielinoties atomu vibrācijām ar temperatūru, un siltuma izplešanās ir svarīga dažādos pielietojumos. Piemēram, projektējot cauruļvadus vannas istabās, ražotājiem ir jāņem vērā sezonālās temperatūras izmaiņas, lai izvairītos no cauruļu plīšanas.

Trīs galvenās vielas fāzes sauc par cietu, šķidru un gāzi. Cietā viela ir blīvi iesaiņots atomu kopums ar noteiktu kristālu simetriju, kas pazīstama kā alotrops. Metāla karsēšana vai atdzesēšana var izraisīt atomu orientācijas maiņu attiecībā pret citiem. To sauc par alotropās fāzes transformāciju. Labs alotropās fāzes transformācijas piemērs ir dzelzs, kas no alfa fāzes istabas temperatūrā pāriet uz gamma fāzes dzelzi 912 grādos pēc Celsija (1674 grādi pēc Fārenheita). Dzelzs gamma fāze, kas spēj izšķīdināt vairāk oglekļa nekā alfa fāze, atvieglo nerūsējošā tērauda ražošanu.

Spontāni magnētiskos metālus sauc par feromagnētiskiem materiāliem. Trīs feromagnētiskie metāli istabas temperatūrā ir dzelzs, kobalts un niķelis. Ferromagnētiskā metāla sildīšana samazina tā magnetizāciju, un tas galu galā pilnībā zaudē savu magnētismu. Temperatūra, kurā metāls zaudē spontānu magnetizāciju, ir pazīstama kā Kirī temperatūra. Niķelim ir viszemākais atsevišķo elementu Kirī punkts, un 330 grādos pēc Celsija tas vairs nekļūst magnētisks (626 grādi pēc Fārenheita), bet kobalts paliek magnētisks līdz 1100 grādiem pēc Celsija (2012 grādi) Pēc Fārenheita).