Metale są pierwiastkami lub związkami o doskonałej przewodności zarówno dla elektryczności, jak i ciepła, co czyni je użytecznymi w szerokim zakresie praktycznych celów. Układ okresowy pierwiastków zawiera obecnie 91 metali, a każdy ma swoje specyficzne właściwości. Właściwości elektryczne, magnetyczne i strukturalne metali mogą zmieniać się wraz z temperaturą, a tym samym zapewniają użyteczne właściwości dla urządzeń technologicznych. Zrozumienie wpływu temperatury na właściwości metali pozwala lepiej zrozumieć, dlaczego są one tak szeroko stosowane we współczesnym świecie.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
TL; DR
Temperatura wpływa na metal na wiele sposobów. Wyższa temperatura zwiększa opór elektryczny metalu, a niższa temperatura go obniża. Ogrzany metal ulega rozszerzalności cieplnej i zwiększa swoją objętość. Podwyższenie temperatury metalu może spowodować jego alotropową przemianę fazową, która zmienia orientację tworzących go atomów i zmienia jego właściwości. Wreszcie metale ferromagnetyczne stają się mniej magnetyczne, gdy mogą się rozgrzać i stracić magnetyzm powyżej temperatury Curie.
Rozpraszanie elektronów i opór
Gdy elektrony przepływają przez masę metalu, rozpraszają się nawzajem, a także poza granice materiału. Naukowcy nazywają to zjawisko „oporem”. Wzrost temperatury daje elektronom większą energię kinetyczną, zwiększając ich prędkość. Prowadzi to do większego rozproszenia i wyższej mierzonej rezystancji. Spadek temperatury prowadzi do zmniejszenia prędkości elektronu, zmniejszenia ilości rozpraszania i mierzonej rezystancji. Współczesne termometry wykorzystują zmianę oporu elektrycznego drutu do pomiaru zmian temperatury.
Rozszerzalność cieplna
Wzrost temperatury prowadzi do niewielkiego wzrostu długości, powierzchni i objętości metalu, zwanego rozszerzalnością cieplną. Wielkość rozszerzenia zależy od konkretnego metalu. Rozszerzalność cieplna wynika ze wzrostu drgań atomowych wraz z temperaturą, a uwzględnienie rozszerzalności cieplnej jest ważne w różnych zastosowaniach. Na przykład, projektując rurociągi w łazienkach, producenci muszą brać pod uwagę sezonowe zmiany temperatury, aby uniknąć pękania rur.
Przemiany fazy alotropowej
Trzy główne fazy materii nazywane są stałym, ciekłym i gazowym. Ciało stałe to gęsto upakowane szeregi atomów o szczególnej symetrii kryształu znanej jako alotrop. Ogrzewanie lub chłodzenie metalu może prowadzić do zmiany orientacji atomów w stosunku do innych. Jest to znane jako alotropowa przemiana fazowa. Dobrym przykładem alotropowej przemiany fazowej jest żelazo, które przechodzi z fazy alfa w temperaturze pokojowej do fazy gamma w temperaturze 912 stopni Celsjusza (1674 stopni Fahrenheita). Faza gamma żelaza, która jest w stanie rozpuścić więcej węgla niż faza alfa, ułatwia wytwarzanie stali nierdzewnej.
Zmniejszenie magnetyzmu
Spontanicznie magnetyczne metale nazywane są materiałami ferromagnetycznymi. Trzy metale ferromagnetyczne w temperaturze pokojowej to żelazo, kobalt i nikiel. Ogrzewanie metalu ferromagnetycznego zmniejsza jego namagnesowanie i ostatecznie całkowicie traci swój magnetyzm. Temperatura, w której metal traci samoistne namagnesowanie, nazywana jest temperaturą Curie. Nikiel ma najniższy punkt Curie spośród pojedynczych pierwiastków i przestaje być magnetyczny w temperaturze 330 stopni Celsjusza (626 stopni Fahrenheita), podczas gdy kobalt pozostaje magnetyczny do 1100 stopni Celsjusza (2012 stopni Fahrenheita).