Hoe beïnvloedt temperatuur metaal?

Metalen zijn elementen of verbindingen met een uitstekende geleidbaarheid voor zowel elektriciteit als warmte, waardoor ze bruikbaar zijn voor een breed scala aan praktische doeleinden. Het periodiek systeem bevat momenteel 91 metalen en elk heeft zijn eigen specifieke eigenschappen. De elektrische, magnetische en structurele eigenschappen van metalen kunnen veranderen met de temperatuur en bieden daardoor nuttige eigenschappen voor technologische apparaten. Als u de effecten van temperatuur op de eigenschappen van metalen begrijpt, krijgt u een dieper inzicht in waarom ze zo veel worden gebruikt in de moderne wereld.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

TL; DR

Temperatuur beïnvloedt metaal op verschillende manieren. Een hogere temperatuur verhoogt de elektrische weerstand van een metaal en een lagere temperatuur verlaagt deze. Verwarmd metaal ondergaat thermische uitzetting en neemt in volume toe. Door de temperatuur van een metaal te verhogen, kan het een allotrope fasetransformatie ondergaan, waardoor de oriëntatie van de samenstellende atomen en de eigenschappen ervan verandert. Ten slotte worden ferromagnetische metalen minder magnetisch wanneer ze heter kunnen worden en hun magnetisme boven de Curie-temperatuur kunnen verliezen.

Terwijl elektronen door het grootste deel van een metaal stromen, verstrooien ze van elkaar en ook van de grenzen van het materiaal. Wetenschappers noemen dit fenomeen 'resistentie'. Een verhoging van de temperatuur geeft de elektronen meer kinetische energie, waardoor hun snelheid toeneemt. Dit leidt tot een grotere hoeveelheid verstrooiing en een hogere gemeten weerstand. Een verlaging van de temperatuur leidt tot een verlaging van de elektronensnelheid, waardoor de hoeveelheid verstrooiing en de gemeten weerstand afnemen. Moderne thermometers gebruiken de verandering in elektrische weerstand van een draad om veranderingen in temperatuur te meten.

Een verhoging van de temperatuur leidt tot een kleine toename van de lengte, het oppervlak en het volume van een metaal, thermische uitzetting genoemd. De grootte van de uitzetting hangt af van het specifieke metaal. Thermische uitzetting is het gevolg van de toename van atomaire trillingen met de temperatuur, en rekening houden met thermische uitzetting is belangrijk in een verscheidenheid aan toepassingen. Bij het ontwerpen van leidingen in badkamers moeten fabrikanten bijvoorbeeld rekening houden met seizoensgebonden veranderingen in de temperatuur om gebarsten leidingen te voorkomen.

De drie hoofdfasen van materie worden vast, vloeibaar en gas genoemd. Een vaste stof is een dicht opeengepakte reeks atomen met een bepaalde kristalsymmetrie die bekend staat als een allotroop. Het verwarmen of afkoelen van een metaal kan leiden tot een verandering in de oriëntatie van de atomen ten opzichte van de andere. Dit staat bekend als een allotrope fasetransformatie. Een goed voorbeeld van een allotrope fasetransformatie wordt gezien in ijzer, dat van de alfafase bij kamertemperatuur naar gamma-fase-ijzer gaat bij 912 graden Celsius (1674 graden Fahrenheit). De gammafase van ijzer, die meer koolstof kan oplossen dan de alfafase, vergemakkelijkt de fabricage van roestvrij staal.

Spontaan magnetische metalen worden ferromagnetische materialen genoemd. De drie ferromagnetische metalen bij kamertemperatuur zijn ijzer, kobalt en nikkel. Door een ferromagnetisch metaal te verhitten, wordt de magnetisatie ervan verminderd en uiteindelijk verliest het zijn magnetisme volledig. De temperatuur waarbij een metaal zijn spontane magnetisatie verliest, staat bekend als de Curie-temperatuur. Nikkel heeft het laagste Curie-punt van de afzonderlijke elementen en wordt niet meer magnetisch bij 330 graden Celsius (626 graden Fahrenheit), terwijl kobalt magnetisch blijft tot 1.100 graden Celsius (2.012 graden .) Fahrenheit).