Thermische Ausdehnung

Unter dem Einfluss von Wärme dehnen sich (fast alle) Festkörper aus. Zum Beispiel wird ein Metallstab länger und dicker, wenn man ihn erhitzt. Wenn der Metallstab wieder auf seine ursprüngliche Temperatur abkühlt, verkürzt er sich auch wieder auf seine ursprünglichen Maße. Wir wollen uns in diesem Eintrag zur Vereinfachung nur um die Änderung der Länge kümmern.

Wovon hängt die Ausdehnung ab?

Man hat durch Experimente und Messungen herausgefunden, dass die Längenausdehnung - z.B. von einem Metallstab - linear von der Temperatur abhängt. Das bedeutet, dass jede Änderung der Temperatur, etwa um 1°C, eine bestimmte Längenänderung bezogen auf die Gesamtlänge des Stabes bewirkt.

Deswegen kann man einen sogenannten linearen Ausdehnungskoeffizienten α ermitteln und angeben. Dieser ist vom Material abhängig und gibt an, um wie viel Prozent sich ein Material in seiner Länge pro °C Temperaturzunahme ausdehnt. Die Längenänderung ist also gleich dem Ausdehnungskoeffizienten multipliziert mit der Länge multipliziert mit der Temperaturänderung:

ΔL = α L ΔT

Wie stark dehnen sich verschiedene Materialien aus?

Der Ausdehnungskoeffizient ist je nach Material verschieden. Aluminium dehnt sich z.B. stärker aus als Kupfer. Glas hingegen dehnt sich noch weniger aus. Baustoffe wie Beton, Holz und Stahl dehnen sich natürlich auch aus. Das müssen die Architekten bei der Planung immer berücksichtigen.

Übrigens: Nicht nur Festkörper dehnen sich bei Erwärmung aus - Flüssigkeiten tun das ebenfalls. Sie dehnen sich sogar noch deutlich stärker aus als Festkörper.

Ein besonderer Anwendungsfall für thermische Ausdehnung ist das Bimetall: Zwei Metalle mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten werden hier fest miteinander verbunden. Das Resultat ist, dass das Bimetall sich bei Erwärmung verbiegt. Wenn du hierzu mehr erfahren willst, empfehlen wir die Aufgabe "Das intelligente Bügeleisen" unter dem Reiter "Wärme"!

Was genau passiert bei der Ausdehnung?

Bild: Atomgitter eines Festkörpers.
Fahre über das Bild, um die Temperatur des Festkörpers zu erhöhen.

Festkörper sind, so wie alle Materie, aus Atomen aufgebaut. In Festkörpern sind diese Atome in Form eines Gitters miteinander verbunden. Innerhalb dieses Gitters können die Atome jedoch schwingen. Je stärker sie schwingen, umso höher ist die Temperatur des Festkörpers.

Wenn der Festkörper nun erwärmt wird und die Atome im Gitter stärker gegeneinander schwingen, dann brauchen sie dafür auch mehr Platz. Das bedeutet, der Abstand der einzelnen Atome im Gitter vergrößert sich. So dehnt sich schließlich der gesamte Festkörper aus.





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