Wärmeausdehnung ist das physikalische Phänomen, bei dem ein Material aufgrund von Temperaturschwankungen eine Änderung seiner Abmessungen erfährt.
Wenn die Temperatur eines Objekts erhöht wird, tendieren die Teilchen, aus denen es besteht, dazu, sich mit größerer Energie und Amplitude zu bewegen, was zu einer Vergrößerung des intermolekularen Raums und damit zu einer Vergrößerung seiner makroskopischen Dimensionen führt.
Wärmeausdehnung ist in vielen praktischen Anwendungen ein relevantes Phänomen und kann erhebliche Auswirkungen auf Strukturen, mechanische Systeme und thermische Geräte haben. Ingenieure und Designer müssen diese Auswirkungen berücksichtigen, wenn sie Komponenten und Systeme entwerfen, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Es gibt drei Hauptarten der Wärmeausdehnung: lineare Ausdehnung, oberflächliche Ausdehnung und volumetrische Ausdehnung.
Lineare Dilatation
Bei der linearen Ausdehnung handelt es sich um eine Art Wärmeausdehnung, die bei eindimensionalen Objekten wie Stäben, Stäben oder Kabeln auftritt, wenn sie Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Wenn ein Objekt erhitzt wird, erhalten die Teilchen, aus denen es besteht, eine größere kinetische Energie und entfernen sich voneinander, was zu einer Vergrößerung der Länge des Objekts führt.
Die Formel zur Berechnung der linearen Ausdehnung eines Objekts lautet wie folgt:
ΔL = α * L0 * ΔT
Wo:
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ΔL ist die Längenvariation.
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L0 ist die Anfangslänge.
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α ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials.
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ΔT entspricht der Temperaturänderung.
Oberflächliche Erweiterung
Die Oberflächenausdehnung ist eine weitere Art der Wärmeausdehnung, die bei zweidimensionalen Objekten wie Blechen, Platten oder flachen Oberflächen auftritt, wenn sie Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Die Variation der Oberfläche (ΔA) hängt mit der Anfangsfläche (A0), dem Oberflächenausdehnungskoeffizienten (β) des Materials und der Temperaturänderung (ΔT) durch die folgende Gleichung zusammen: ΔA = β * A0 * ΔT.
Der Oberflächenausdehnungskoeffizient (β) ist doppelt so groß wie der Längenausdehnungskoeffizient (α): β = 2 * α
volumetrische Dilatation
Unter volumetrischer Ausdehnung versteht man die Volumenänderung eines dreidimensionalen Objekts aufgrund von Temperaturschwankungen.
Die betroffene Dimension ist das Volumen. Die Volumenänderung (ΔV) hängt mit dem Anfangsvolumen (V0), dem volumetrischen Ausdehnungskoeffizienten (γ) des Materials und der Temperaturänderung (ΔT) durch die folgende Gleichung zusammen: ΔV = γ * V0 * ΔT.
Der volumetrische Ausdehnungskoeffizient (γ) gibt an, um wie viel sich das Volumen des Objekts pro Temperaturänderungseinheit ausdehnt oder zusammenzieht, und beträgt das Dreifache des linearen Ausdehnungskoeffizienten (α): γ = 3 * α
Expansivität
Jedes Material hat einen spezifischen Ausdehnungskoeffizienten, der bestimmt, wie stark es sich pro Temperaturänderungseinheit ausdehnt oder zusammenzieht. Materialien mit höheren Ausdehnungskoeffizienten neigen dazu, mit steigender Temperatur eine größere Wärmeausdehnung zu erfahren.
Der Oberflächenausdehnungskoeffizient und der Volumenausdehnungskoeffizient betragen das Doppelte bzw. Dreifache des Längenausdehnungskoeffizienten.
Lineare Ausdehnungskoeffizienten werden im Allgemeinen in Einheiten von 10 –6 pro Grad Celsius (μm/°C) oder 10 –6 pro Grad Kelvin (μm/K) ausgedrückt.
Wovon hängt die Wärmeausdehnung eines Materials ab?
Der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen Materialien hängt von mehreren intrinsischen Eigenschaften jedes Stoffes ab.
Erstens spielen die atomare Struktur und die Art der Bindung im Material eine grundlegende Rolle: Materialien mit starken Bindungen, wie zum Beispiel ionische oder kovalente Kristalle, weisen tendenziell eine geringere thermische Ausdehnung auf als solche mit schwächeren Bindungen, wie zum Beispiel amorphe.
Darüber hinaus spielen auch die Atommasse, die Dichte und die Verteilung der Atome eine Rolle, da dichtere Materialien mit massereicheren Atomen im Vergleich zu weniger dichten Materialien möglicherweise eine geringere Ausdehnung erfahren.
Wärmeausdehnung in Gasen
Bei Gasen wird die Volumenänderung durch andere Formeln bestimmt. Gase neigen naturgemäß dazu, das gesamte verfügbare Volumen einzunehmen und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Druck, Temperatur und Volumen aufrechtzuerhalten.
Wenn sich die Temperatur eines Gases ändert, ändert sich das Volumen abhängig davon, wie sich der Druck gemäß dem universellen Gasgesetz ändert.
Das Gesetz von Charles und Gay-Lussac besagt, dass das Volumen eines idealen Gases bei konstantem Druck direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur (gemessen in Kelvin) ist. Die Gleichung, die diese Beziehung darstellt, lautet:
V2 = V1 * (T2 / T1 )
Dabei sind V1 und V2 das Anfangs- und Endvolumen des Gases und T1 und T2 die Anfangs- bzw. Endabsoluttemperaturen.
Beispiele für Wärmeausdehnung im Alltag
Wärmeausdehnung ist ein alltägliches Phänomen und kann an zahlreichen Gegenständen und Situationen beobachtet werden. Hier sind einige Beispiele:
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Ausbau von Straßen und Brücken: Brücken und Straßen bestehen aus Materialien wie Beton und Stahl, die sich bei Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen. Aus diesem Grund sind sie mit Dehnungsfugen ausgestattet, um Risse und Brüche zu verhindern.
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Ausdehnung der Eisenbahnschienen: Eisenbahnschienen, die normalerweise aus Stahl bestehen, unterliegen ebenfalls einer thermischen Ausdehnung. Wenn sich Schienen in der Sonne erwärmen, können sie länger werden, was dazu führen kann, dass Dehnungsfugen erforderlich werden, um Gleisverwerfungen und Verformungen vorzubeugen.
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Ausdehnung in Flüssigkeiten: Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, gewinnen ihre Moleküle kinetische Energie und bewegen sich schneller, wodurch sich das Volumen der Flüssigkeit vergrößert. Ein gängiges Beispiel ist das Thermometer, bei dem die Ausdehnung einer Flüssigkeit, beispielsweise Quecksilber, zur Temperaturmessung genutzt wird.
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Ausdehnung in Stromleitungen: Stromkabel, insbesondere solche, die über große Entfernungen verlaufen, können aufgrund von Temperaturänderungen eine thermische Ausdehnung erfahren. Stromleitungen können sich ausdehnen oder zusammenziehen, wodurch die Form der Oberleitung und die Spannungskraft, die sie an ihren Enden hält, variieren.
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Ausdehnung von Kochgeschirr: Beim Erhitzen oder Abkühlen von Pfannen, Töpfen und anderem Kochgeschirr dehnen sich die Materialien aus oder ziehen sich zusammen, was sich auf ihre Form und Passform auswirken kann.