Ausdehnung bei Erwärmung

Volumenänderung bei Stoffen

Die meisten Stoffe, egal ob Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper, vergrößern bei Erwärmung ihr Volumen. Diese Volumenänderung resultiert aus der Erhöhung der mittleren kinetischen Energie, welche die Teilchen des Stoffes stärker schwingen lässt. Die Stoffteilchen bewegen sich also stärker hin und her, je höher ihre Temperatur und damit ihre mittlere kinetische Energie ist. Zum besseren bildlichen Verständnis dieser Volumenänderung können wir uns eine Gruppe von Leuten vorstellen, die anfangs still in einem Raum stehen. Die Leute sind in diesem Beispiel die Stoffteilchen. Wird es nun wärmer, fangen die Leute an sich zu bewegen, z.B. indem sie tanzen. Ein tanzender Mensch bewegt sich hin und her und braucht natürlich viel mehr Platz als jemand, der nur auf einer Stelle steht. So brauchen auch die Stoffteilchen mit höherer mittlerer Energie mehr Platz für ihre Bewegung und erhöhen somit das Volumen des Stoffes.

Es gibt jedoch auch Stoffe wie Wasser oder Gummi, welche in einem bestimmten Temperaturbereich ihr Volumen bei Temperaturerhöhung verringern.

Allgemein können wir sagen, dass bei Temperaturerhöhung die Volumenänderung von Gasen größer als von Flüssigkeiten und die von Flüssigkeiten größer als von Festkörpern ist.

Bei Flüssigkeiten bestimmt der Raumausdehnungskoeffizient die Volumenänderung. Der Raumausdehnungskoeffizient ist für verschiedene Flüssigkeiten unterschiedlich groß. In der Technik wird er genutzt, um z.B. Thermometer zu eichen.

Bei Festkörpern wirkt die Volumenänderung in der Regel in alle Raumrichtungen gleichmäßig, das heißt, dass sich Festkörper sowohl in der Länge, Höhe und Breite ausdehnen. Die Ausdehnung von Festkörpern kann mithilfe des Längenausdehnungskoeffizienten beschrieben werden. In der Technik wird die Volumenänderung genutzt, um z.B. Bauteile, die Kräfte übertragen und deshalb eng anliegen müssen, zu montieren. Hierbei wird das „Loch“ erwärmt um es zu weiten und die Welle dann einführen zu können. Alternativ kann auch bei der Welle die Temperatur abgesenkt werden. Nachdem dann die Bauteile wieder gleiche Temperator besitzen, sind beide Bauteile dann fest miteinander verbunden und lassen sich nicht mehr ohne erneute Erwärmung / Kühlung lösen.

Gase dehnen sich bei Erwärmung am stärksten aus. Verschiedene Gase zeigen keine großen Unterschiede im Ausdehnungsverhalten und dehnen sich somit relativ gleich aus. Bei Messungen der Ausdehnung von Gasen ist darauf zu achten, dass der Druck konstant ist. Da Gase bei Druck komprimierbar sind, käme es zu verfälschten Messergebnissen.

Anomalie des Wassers

Im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten, Gasen oder Festkörpern, die ihr geringstes Volumen beim absoluten Nullpunkt von -273,15°C erreichen, besitzt Wasser sein geringstes Volumen bei 4°C. Sowohl bei höheren Temperaturen als auch bei niedrigeren Temperaturen steigt das Volumen von Wasser wieder an. Dieses Phänomen nennt sich Anomalie des Wassers. Es entsteht dadurch, dass sich die Moleküle des Wassers beim Gefrieren anders anordnen und deshalb das Volumen sich schlagartig ändert. Durch die neue Anordnung der Moleküle benötigt die gleiche Anzahl an Molekülen in gefrorener Form mehr Raum.