อุณหภูมิมีผลต่อโลหะอย่างไร?

โลหะเป็นองค์ประกอบหรือสารประกอบที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมสำหรับทั้งไฟฟ้าและความร้อน ทำให้มีประโยชน์สำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติที่หลากหลาย ตารางธาตุในปัจจุบันมีโลหะ 91 ชนิดและแต่ละธาตุมีคุณสมบัติเฉพาะของตัวเอง คุณสมบัติทางไฟฟ้า แม่เหล็ก และโครงสร้างของโลหะสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามอุณหภูมิ และด้วยเหตุนี้จึงให้คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์สำหรับอุปกรณ์เทคโนโลยี การทำความเข้าใจผลกระทบของอุณหภูมิที่มีต่อคุณสมบัติของโลหะจะทำให้คุณเข้าใจมากขึ้นว่าทำไมจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในโลกสมัยใหม่

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ทีแอล; DR

อุณหภูมิส่งผลกระทบต่อโลหะในหลาย ๆ ด้าน อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าของโลหะ และอุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะลดลง โลหะร้อนผ่านการขยายตัวทางความร้อนและเพิ่มปริมาณ การเพิ่มอุณหภูมิของโลหะอาจทำให้โลหะได้รับการเปลี่ยนแปลงเฟสแบบ allotropic ซึ่งจะเปลี่ยนทิศทางของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบและเปลี่ยนคุณสมบัติของโลหะ ในที่สุด โลหะเฟอร์โรแมกเนติกจะกลายเป็นแม่เหล็กน้อยลงเมื่อร้อนขึ้นและสูญเสียสนามแม่เหล็กเหนืออุณหภูมิคูรี

เมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านโลหะจำนวนมาก พวกมันจะกระจัดกระจายออกจากกันและหลุดออกจากขอบของวัสดุ นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า "การต่อต้าน" การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้อิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์มากขึ้น ทำให้ความเร็วของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น สิ่งนี้นำไปสู่การกระเจิงจำนวนมากขึ้นและความต้านทานที่วัดได้สูงขึ้น อุณหภูมิที่ลดลงจะทำให้ความเร็วของอิเล็กตรอนลดลง ปริมาณการกระเจิงและความต้านทานที่วัดได้ลดลง เครื่องวัดอุณหภูมิสมัยใหม่ใช้การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของเส้นลวดเพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทำให้ความยาว พื้นที่ และปริมาตรของโลหะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ซึ่งเรียกว่าการขยายตัวทางความร้อน ขนาดของการขยายตัวขึ้นอยู่กับโลหะเฉพาะ การขยายตัวทางความร้อนเป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นของการสั่นสะเทือนของอะตอมด้วยอุณหภูมิ และการพิจารณาการขยายตัวทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น เมื่อออกแบบท่อในห้องน้ำ ผู้ผลิตจำเป็นต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามฤดูกาลด้วยเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ท่อแตก

สามขั้นตอนหลักของสสารเรียกว่าของแข็งของเหลวและก๊าซ ของแข็งเป็นอาร์เรย์ของอะตอมที่อัดแน่นอย่างหนาแน่น โดยมีความสมมาตรของผลึกเฉพาะที่เรียกว่าอัลโลโทรป การให้ความร้อนหรือความเย็นของโลหะอาจทำให้ทิศทางของอะตอมเปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับอะตอมอื่นๆ สิ่งนี้เรียกว่าการแปลงเฟสแบบ allotropic ตัวอย่างที่ดีของการเปลี่ยนแปลงเฟส allotropic จะเห็นได้ในเหล็ก ซึ่งเปลี่ยนจากเฟสอัลฟาที่อุณหภูมิห้องไปเป็นเหล็กที่มีเฟสแกมมาที่ 912 องศาเซลเซียส (1,674 องศาฟาเรนไฮต์) เฟสแกมมาของเหล็กซึ่งสามารถละลายคาร์บอนได้มากกว่าเฟสอัลฟา อำนวยความสะดวกในการผลิตสแตนเลส

โลหะแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองนั้นเรียกว่าวัสดุที่เป็นแม่เหล็ก โลหะเฟอร์โรแมกเนติกสามชนิดที่อุณหภูมิห้อง ได้แก่ เหล็ก โคบอลต์ และนิกเกิล การให้ความร้อนแก่โลหะที่เป็นแม่เหล็กจะลดแรงดึงดูดของแม่เหล็ก และในที่สุดก็สูญเสียความเป็นแม่เหล็กไปโดยสิ้นเชิง อุณหภูมิที่โลหะสูญเสียการดึงดูดโดยธรรมชาติเรียกว่าอุณหภูมิกูรี นิกเกิลมีจุด Curie ต่ำสุดขององค์ประกอบเดี่ยวและกลายเป็นแม่เหล็กที่อุณหภูมิ 330 องศาเซลเซียส (626 องศาฟาเรนไฮต์) ในขณะที่โคบอลต์ยังคงเป็นแม่เหล็กจนถึง 1,100 องศาเซลเซียส (2,012 องศา ฟาเรนไฮต์).