Der Ausdehnungskoeffizient, auch Wärmeausdehnungskoeffizient genannt, ist eine physikalische Eigenschaft von Materialien, die beschreibt, wie sich das Volumen, die Länge oder eine andere Dimension eines Materials aufgrund einer Temperaturänderung ändert. Das heißt, es handelt sich um ein Maß, das angibt, wie stark sich ein Material ausdehnt oder zusammenzieht, wenn es erhitzt oder abgekühlt wird.
Wenn die Temperatur eines Materials erhöht wird, neigen seine Atome oder Moleküle dazu, mit größerer Energie zu schwingen, was zu einer Vergrößerung des Raums zwischen ihnen führt, was wiederum dazu führt, dass sich das Material ausdehnt.
Wenn das Material abkühlt, führt die Abnahme der Wärmeenergie dazu, dass die Atome oder Moleküle näher zusammenrücken, was zu einer Kontraktion führt.
Der Ausdehnungskoeffizient wird im Allgemeinen mit dem griechischen Buchstaben „α“ (Alpha) bezeichnet und in der Einheit 1/°C (Kehrwert von Grad Celsius) oder 1/°K (Kehrwert von Kelvin) gemessen. Je nach Art der Wärmeausdehnung (volumetrisch, linear oder oberflächlich) kann der Ausdehnungskoeffizient unterschiedliche Werte annehmen.
Arten von Ausdehnungskoeffizienten
Es gibt drei Haupttypen von Ausdehnungskoeffizienten, die zur Beschreibung verschiedener Arten der Ausdehnung von Materialien verwendet werden. Diese Koeffizienten werden üblicherweise wie folgt bezeichnet:
Linearer Ausdehnungskoeffizient (αl)
Der lineare Ausdehnungskoeffizient bezieht sich auf die Längenänderung eines Materials in einer einzigen Dimension (z. B. in einem Stab oder Rohr) aufgrund von Temperaturänderungen.
Es wird verwendet, wenn das Material anisotrope Eigenschaften aufweist (d. h. seine Eigenschaften unterscheiden sich in verschiedene Richtungen).
Volumenausdehnungskoeffizient (αv)
Der Volumenausdehnungskoeffizient beschreibt, wie sich das Volumen eines Materials bei Temperaturänderungen ändert.
Sie errechnet sich aus den Längenausdehnungskoeffizienten in drei Dimensionen (bei isotropen Materialien). Bei isotropen Materialien (mit gleichen Eigenschaften in alle Richtungen) hängt der Volumenausdehnungskoeffizient mit dem Linearausdehnungskoeffizienten (αl) durch die Gleichung zusammen:
αv = 3 * αl
Koeffizient der Oberflächenausdehnung (αs)
Der Oberflächenausdehnungskoeffizient gilt für Blatt- oder Plattenmaterialien, bei denen die Ausdehnung aufgrund von Temperaturänderungen hauptsächlich in zwei Dimensionen (Länge und Breite) erfolgt.
Dieser Koeffizient hängt mit dem Längenausdehnungskoeffizienten zusammen und wird in Berechnungen verwendet, bei denen die Ausdehnung in nur zwei Richtungen berücksichtigt werden muss.
Wie wird der Ausdehnungskoeffizient eines Materials bestimmt?
Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird experimentell durch einen Prozess namens dilatometrische Analyse bestimmt. Im Folgenden wird eine allgemeine Methode zur Bestimmung des Längenausdehnungskoeffizienten eines Materials beschrieben:
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Eine Probe des zu analysierenden Materials wird ausgewählt. Die Probe kann in Form eines Stabes, eines Drahtes, eines Blechs oder einer anderen Geometrie vorliegen, die Messungen erleichtert.
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Die anfängliche Länge der Probe wird mit einem genauen Messgerät, beispielsweise einem Messschieber oder einem Millimeterlineal, gemessen. Dies ist die Referenzlänge (L0).
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Die Probe wird in ein Gerät namens Dilatometer oder Interferometer gegeben, das es ermöglicht, Längenänderungen der Probe in Bezug auf Temperaturänderungen genau zu messen.
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Die Probe wird im interessierenden Temperaturbereich gleichmäßig und schrittweise einer kontrollierten Erwärmung ausgesetzt.
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Bei steigender Temperatur werden die Längenmessungen der Probe in regelmäßigen Temperaturintervallen aufgezeichnet.
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Mit den gesammelten Daten wird ein Wärmeausdehnungsdiagramm erstellt, das zeigt, wie sich die Länge der Probe als Funktion der Temperatur ändert. Die Steigung dieses Diagramms gibt Aufschluss über den Längenausdehnungskoeffizienten des Materials.
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Der Längenausdehnungskoeffizient (αl) wird aus dem Diagramm der Wärmeausdehnung nach folgender Formel berechnet:
αl = (ΔL / (L0 * ΔT))
Wo:
αl = Längenausdehnungskoeffizient
ΔL = Änderung der Probenlänge
L0 = Anfangslänge der Probe
ΔT = Temperaturänderung erfahren
Beispiele für Ausdehnungskoeffizienten
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den ungefähren Längenausdehnungskoeffizienten einiger bekannter Materialien. Die Werte sind in der Einheit Mikrodehnung pro Grad Celsius (µε/°C) angegeben.
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Material |
Linearer Ausdehnungskoeffizient (µε/°C) |
Beschreibung |
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Stahl (Kohlenstoffstahl) |
11 - 13 |
Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Formbarkeit häufig im Baugewerbe, im Maschinenbau und bei anderen Anwendungen eingesetzt wird. Aufgrund seines moderaten Ausdehnungskoeffizienten eignet es sich für verschiedene Anwendungen. |
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Beton (Beton) |
8 - 12 |
Beton ist eine Mischung aus Zement, Zuschlagstoffen und Wasser, die zum Bau starker, langlebiger Strukturen verwendet wird. Es hat im Vergleich zu anderen Materialien einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten und eignet sich daher für Fundamente und massive Bauwerke. |
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Glas (Borosilikatglas) |
3. 4 |
Borosilikatglas ist eine Glasart, die hitze- und chemikalienbeständig ist. Es wird dort eingesetzt, wo Transparenz und Wärmebeständigkeit erforderlich sind, beispielsweise bei Laborutensilien und hochfesten Fenstern. |
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Glas (gewöhnliches Glas) |
8 - 10 |
Gewöhnliches Glas ist ein Material, das häufig für Fenster, Behälter und architektonische Anwendungen verwendet wird. Sein Ausdehnungskoeffizient ist höher als der von Borosilikatglas, wodurch es anfälliger für eine Ausdehnung bei Temperaturänderungen ist. |
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Aluminium |
22 - 24 |
Aluminium ist ein starkes, leichtes Metall mit einem breiten Anwendungsspektrum in der Industrie, vom Transportwesen bis zur Elektronik. Sein hoher Ausdehnungskoeffizient macht es ideal für Anwendungen, die eine geringe thermische Trägheit erfordern. |
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Kupfer |
16 - 18 |
Kupfer ist ein ausgezeichneter Strom- und Wärmeleiter und wird in elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet. Aufgrund seines moderaten Ausdehnungskoeffizienten eignet es sich für Anwendungen, bei denen eine gute Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. |
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Messing |
19 - 20 |
Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink, die für ihren Glanz und ihre Formbarkeit geschätzt wird. Es wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Kombination aus Widerstandsfähigkeit, Leitfähigkeit und Ästhetik erforderlich ist, beispielsweise bei Accessoires und dekorativen Elementen. |
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Silber |
19 - 20 |
Silber ist ein Edelmetall, das für seine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit bekannt ist. Aufgrund seines moderaten Ausdehnungskoeffizienten eignet es sich für Anwendungen, bei denen eine gute Wärmeleitfähigkeit bei geringerer Wärmeausdehnung erforderlich ist. |
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Eisen |
11 - 12 |
Eisen ist ein reichlich vorhandenes Metall, das beim Bau und der Herstellung verschiedener Strukturen und Industrieprodukte verwendet wird. Aufgrund seines moderaten Ausdehnungskoeffizienten eignet es sich für strukturelle und technische Anwendungen. |
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Zink |
30 - 32 |
Zink ist ein Metall, das beim Verzinken zum Schutz von Stahl vor Korrosion verwendet wird. Aufgrund seines hohen Ausdehnungskoeffizienten eignet es sich für Anwendungen, bei denen eine größere Wärmeausdehnung erforderlich ist. |
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Keramik (Aluminiumoxid) |
7 - 8 |
Aluminiumoxid ist eine hochfeste Keramik, die in Hochtemperatur- und Verschleißanwendungen wie Motorkomponenten und Schneidwerkzeugen verwendet wird. Aufgrund seines geringen Ausdehnungskoeffizienten eignet es sich für Anwendungen mit hoher Dimensionsstabilität. |
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Uran |
13 - 14 |
Uran ist ein radioaktives Metall, das in nuklearen Anwendungen und als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet wird. Aufgrund seines moderaten Ausdehnungskoeffizienten ist es für die Konstruktion von Reaktorelementen relevant. |
