Metaller är element eller föreningar med utmärkt ledningsförmåga för både el och värme, vilket gör dem användbara för ett brett spektrum av praktiska ändamål. Det periodiska systemet innehåller för närvarande 91 metaller och har var och en sina egna specifika egenskaper. Metallernas elektriska, magnetiska och strukturella egenskaper kan förändras med temperaturen och därmed ge användbara egenskaper för tekniska apparater. Att förstå temperaturens inverkan på metallernas egenskaper ger dig en djupare uppskattning av varför de används så ofta i den moderna världen.
TL; DR (för lång; Läste inte)
TL; DR
Temperaturen påverkar metall på många sätt. En högre temperatur ökar metallens elektriska motstånd och en lägre temperatur minskar den. Uppvärmd metall genomgår termisk expansion och ökar volymen. Att höja temperaturen på en metall kan få den att genomgå allotropisk fasomvandling, vilket förändrar orienteringen av dess ingående atomer och ändrar dess egenskaper. Slutligen blir ferromagnetiska metaller mindre magnetiska när de kan bli varmare och tappa sin magnetism över Curie-temperaturen.
Elektronspridning och motstånd
När elektroner flyter genom större delen av en metall sprider de sig från varandra och också utanför materialets gränser. Forskare kallar detta fenomen för "motstånd". En ökning av temperaturen ger elektronerna mer kinetisk energi, vilket ökar deras hastighet. Detta leder till en större mängd spridning och ett högre uppmätt motstånd. En minskning av temperaturen leder till en minskning av elektronhastigheten, vilket minskar spridningsmängden och det uppmätta motståndet. Moderna termometrar använder förändringen av en tråds elektriska motstånd för att mäta temperaturförändringar.
Termisk expansion
En ökning av temperaturen leder till en liten ökning av metallens längd, area och volym, kallad termisk expansion. Expansionens storlek beror på den specifika metallen. Värmeutvidgning är en följd av ökningen av atomvibrationer med temperaturen, och övervägande av värmeutvidgning är viktigt i en mängd applikationer. Till exempel, när man utformar rörledningar i badrum, måste tillverkare ta hänsyn till säsongsbetonade temperaturförändringar för att undvika sprängande rör.
Allotropa fasomvandlingar
De tre huvudfaserna i materia kallas fast, flytande och gas. Ett fast ämne är ett tätt packat spektrum av atomer med en särskild kristallsymmetri som kallas en allotrop. Uppvärmning eller kylning av en metall kan leda till en förändring i atomernas orientering, i förhållande till de andra. Detta är känt som en allotrop fasomvandling. Ett bra exempel på en allotrop fasomvandling ses i järn, som går från alfafasen vid rumstemperatur till gammafasjärn vid 912 grader Celsius (1674 grader Fahrenheit). Gammafasen av järn, som kan lösa mer kol än alfafasen, underlättar tillverkningen av rostfritt stål.
Minskar magnetism
Spontant magnetiska metaller kallas ferromagnetiska material. De tre ferromagnetiska metallerna vid rumstemperatur är järn, kobolt och nickel. Uppvärmning av en ferromagnetisk metall minskar magnetiseringen och förlorar så småningom sin magnetism. Temperaturen vid vilken en metall förlorar sin spontana magnetisering kallas Curie-temperaturen. Nickel har den lägsta Curie-punkten av de enskilda elementen och upphör att bli magnetisk vid 330 grader Celsius (626 grader Fahrenheit), medan kobolt förblir magnetiskt tills 1100 grader Celsius (2012 grader Fahrenheit).