How iron feels the heat

As you heat up a piece of iron, the arrangement of the iron atoms changes several times before melting. This unusual behavior is one reason why steel, in which iron plays a starring role, is so sturdy and ubiquitous in everything from teapots to skyscrapers. But the details of just how and why iron takes on so many different forms have remained a mystery. Recent work at Caltech in the Div. of Engineering and Applied Science, however, provides evidence for how iron's magnetism plays a role in this curious property—an understanding that could help researchers develop better and stronger steel.
"Humans have been working with regular old iron for thousands of years, but this is a piece about its thermodynamics that no one has ever really understood," says Brent Fultz, the Barbara and Stanley R. Rawn, Jr., Professor of Materials Science and Applied Physics.
The laws of thermodynamics govern the natural behavior of materials, such as the temperature at which water boils and the timing of chemical reactions. These same principles also determine how atoms in solids are arranged, and in the case of iron, nature changes its mind several times at high temperatures. At room temperature, the iron atoms are in an unusual loosely packed open arrangement; as iron is heated past 912 C, the atoms become more closely packed before loosening again at 1,394 C and ultimately melting at 1,538 C.
Iron is magnetic at room temperature, and previous work predicted that iron's magnetism favors its open structure at low temperatures, but at 770 C iron loses its magnetism. However, iron maintains its open structure for more than a hundred degrees beyond this magnetic transition. This led the researchers to believe that there must be something else contributing to iron's unusual thermodynamic properties.
For this missing link, graduate student Lisa Mauger and her colleagues needed to turn up the heat. Solids store heat as small atomic vibrations—vibrations that create disorder, or entropy. At high temperatures, entropy dominates thermodynamics, and atomic vibrations are the largest source of entropy in iron. By studying how these vibrations change as the temperature goes up and magnetism is lost, the researchers hoped to learn more about what is driving these structural rearrangements.
To do this, the team took its samples of iron to the High Pressure Collaborative Access Team beamline of the Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory in Argonne, Illinois. This synchrotron facility produces intense flashes of x-rays that can be tuned to detect the quantum particles of atomic vibration—called phonon excitations—in iron.
When coupling these vibrational measurements with previously known data about the magnetic behavior of iron at these temperatures, the researchers found that iron's vibrational entropy was much larger than originally suspected. In fact, the excess was similar to the entropy contribution from magnetism—suggesting that magnetism and atomic vibrations interact synergistically at moderate temperatures. This excess entropy increases the stability of the iron's open structure even as the sample is heated past the magnetic transition.
The technique allowed the researchers to conclude, experimentally and for the first time, that magnons—the quantum particles of electron spin (magnetism)—and phonons interact to increase iron's stability at high temperatures.
Because the Caltech group's measurements matched up with the theoretical calculations that were simultaneously being developed by collaborators in the laboratory of Jörg Neugebauer at the Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH (MPIE), Mauger's results also contributed to the validation of a new computational model.
"It has long been speculated that the structural stability of iron is strongly related to an inherent coupling between magnetism and atomic motion," says Fritz Körmann, postdoctoral fellow at MPIE and the first author on the computational paper. "Actually finding this coupling, and that the data of our experimental colleagues and our own computational results are in such an excellent agreement, was indeed an exciting moment."
"Only by combining methods and expertise from various scientific fields such as quantum mechanics, statistical mechanics, and thermodynamics, and by using incredibly powerful supercomputers, it became possible to describe the complex dynamic phenomena taking place inside one of the technologically most used structural materials," says Neugebauer. "The newly gained insight of how thermodynamic stability is realized in iron will help to make the design of new steels more systematic."
For thousands of years, metallurgists have been working to make stronger steels in much the same way that you'd try to develop a recipe for the world's best cookie: guess and check. Steel begins with a base of standard ingredients—iron and carbon—much like a basic cookie batter begins with flour and butter. And just as you'd customize a cookie recipe by varying the amounts of other ingredients like spices and nuts, the properties of steel can be tuned by adding varying amounts of other elements, such as chromium and nickel.
With a better computational model for the thermodynamics of iron at different temperatures—one that takes into account the effects of both magnetism and atomic vibrations—metallurgists will now be able to more accurately predict the thermodynamic properties of iron alloys as they alter their recipes.
The experimental work was published in Physical Review B.

Termometer Termokopel

Termometer termokopel dibuat berdasarkan pada: 
(1) adanya gaya gerak listrik (ggl) Seebeck, 
(2) adanya ggl Peltier, dan 
(3) adanya ggl Thomson pada sambungan dua logam yang berbeda jenisnya, serta
(4) adanya perubahan temperatur pada sambungan dua logam. Ini berarti termometer termokopel dibuat berdasarkan pada hasil percobaan Seebeck, Peltier, dan Thomson.

Pada tahun 1826 Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa ggl dapat ditimbulkan dengan cara-cara termal. Jika logam A disambungkan dengan logam B dan kedua sambungan berbeda temperaturnya, maka akan timbul ggl termal atau ggl Seebeck yang disebabkan karena adanya kerapatan elektron bebas dalam logam yang berbeda temperaturnya. 

 Apabila dua logam A dan B yang berlainan jenisnya disambungkan dan kedua sambungan itu berbeda temperaturnya, maka elektron-elektronnya berdifusi dari logam A ke logam B atau sebaliknya. Kedua sambungan berfungsi sebagai sumber ggl dan jika ada arus listrik dari logam yang satu ke logam lainnya, maka ada tenaga yang dibebaskan atau diabsorbsikan. Perpindahan tenaga ini berbentuk aliran kalor di antara sambungan dan sekelilingnya. 

Kalor ini disebut kalor Peltier (Jean C.A. Peltier adalah penemu kalor yang mengalir di antara dua sambungan logam yang berbeda jenisnya dan berlainan temperaturnya dan beliau adalah seorang ahli Ilmu Alam bangsa Perancis). Eksperimen menunjukkan, bahwa kalor Peltier yang dipindahkan pada setiap sambungan berbanding dengan jumlah muatan listrik yang melewati sambungan dan membalik arahnya apabila arus listrik juga membalik arahnya.

 Jumlah tenaga panas (dalam joule) yang diabsorbsikan atau dibebaskan pada sambungan logam-logam A dan B per jumlah muatan
listrik (dalam coulomb) yang dipindahkan disebut ggl Peltier (πAB). Jadi ( ) ( )
π AB = KalorPeltier joule/Q coulomb . . . . . (2.15) 

 Ternyata bahwa ggl Peltier (πAB) tidak hanya bergantung pada sifat kedua logam, tetapi juga pada temperatur sambungan dan tidak bergantung pada sambungan lain yang mungkin ada. Sir William Thomson (Lord Kelvin) menemukan, bahwa kepadatan elektron bebas akan berlainan dari titik ke titik dalam suatu kawat yang ujung-ujungnya mempunyai temperatur yang berbeda. 

Jadi, setiap bagian dari kawat yang temperaturnya berbeda atau tidak seragam (heterogen) merupakan sumber ggl. Apabila arus listrik mengalir dalam kawat yang temperaturnya tidak seragam, maka pada semua titik dalam kawat, kalor akan dibebaskan atau diabsorbsikan, dan kalor ini disebut sebagai kalor Thomson. Kalor Thomson sebanding dengan jumlah muatan listrik yang melewati bagian kawat dan sebanding dengan perbedaan temperatur antara ujung-ujung bagian kawat. Apabila suatu bagian kawat yang pendek (A) mempunyai perbedaan temperatur (dt), maka jumlah kalor yang dibebaskan atau diabsorbsikan (dalam joule) dalam bagian kawat per jumlah muatan listrik yang dipindahkan (dalam coulomb) disebut sebagai ggl Thomson (τA dt). Jadi ggl Thomson dapat dituliskan dalam persamaan berikut.


τ A =KalorT son joule/Q coulomb . . . . . (2.16)

Jumlah ggl Thomson dalam kawat yang ujung-ujungnya mempunyai temperatur t1 dan t2 adalah:



t
∫τAdt. . . . . (2.17) 
21

 Eksperimen menunjukkan, bahwa kalor Thomson dapat dibalik dan tergantung dari sifat kawat serta temperatur rata-rata dari bagian kawat yang temperaturnya heterogen.
Pada hakikatnya, ggl Seebeck (εAB) pada termokopel adalah perpaduan dua ggl Peltier dan dua ggl Thomson yang persamaannya biasa disebut sebagai persamaan dasar termokopel yang ditulis sebagai berikut.

 ε = (π ) − (π ) + ∫ (τ −τ ) . . . . . (2.18) 


 
dengan t = temperatur sambungan percobaan (test junction) dan tR = temperatur sambungan penunjukan (reference junction) yang dibuat tetap. Jadi, dapat dinyatakan, bahwa Thermometric Property dari termometer termokopel adalah adanya ggl karena perubahan temperatur, sehingga ε = ε ( T ). Seperti apa bentuk persamaannya ? Adapun skematis termometer termokopel seperti gambar 2. 11 berikut 

 Pirometer Optik 
Pirometer Optik (Optis) merupakan termometer sekunder, dalam arti pirometer optik digunakan untuk mengukur temperatur di atas 10000C sampai 12000C. Mengapa demikian ? Karena suatu benda yang bertemperatur lebih dari 5000C akan memancarkan cahaya yang dapat dilihat (cahaya tampak).

 Hal ini dapat dilihat dengan jelas dalam kegelapan. Intensitas cahaya tampak akan meningkat dengan bertambahnya temperatur. Pada suatu benda yang bertemperatur 6000C akan tampak cahaya merah tua, pada temperatur 7000C tampak cahaya merah, pada temperatur 8500C tampak cahaya merah muda, dan jika temperaturnya 10000C tampak cahaya jingga kekuning-kuningan. 

Setelah temperatur benda lewat 10000C sampai 12000C, benda akan memancarkan cahaya putih kekuning-kuningan. Di atas temperatur 12000C, benda akan memancarkan cahaya dengan perubahan warna yang lambat dan perubahan intensitas yang cepat. Ini berarti, intensitas cahaya yang kelihatan oleh mata bertambah dengan sangat cepat dan intensitas segala warna bertambah serta warna cahaya mendekati maksimum (ingat grafik warna untuk mata dalam kuliah Optika). 
Prinsip dasar pengukuran temperatur dengan pirometer optik ada dua, yaitu: 
(1) dengan menentukan intensitas cahaya tampak, dan 
(2) dengan menentukan perbandingan dua intensitas cahaya tampak. Cara yang terbanyak digunakan adalah cara membandingkan dua intensitas cahaya tampak yang dipancarkan oleh benda hitam sempurna (black body radiator) dengan benda lain yang ditera. Jadi, Thermometric Property dari termometer pirometer optik adalah intensitas cahaya, sehingga: I = I( T ). 
 Jenis-jenis pirometer optik banyak ragamnya, antara lain: (1) pirometer optik penyinaran total yang didasarkan pada hukum Stefan – Boltzmann (Et = σo T4), dan (2) pirometer optik foto elektrik yang berdasarkan pada prinsip kerja fotosel