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• Definition der thermischen Ausdehnung
• Beispiele der thermischen Ausdehnung
• Anwendungen
• Viel mehr

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Definition der thermischen Ausdehnung

Die meisten festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Ihre thermischen Ausdehnungen und Kontraktionen sind in der Regel gering und werden nicht wahrgenommen. Dennoch sind diese Ausdehnungen und Kontraktionen für unser tägliches Leben wichtig.

Die kinetische Energie der Moleküle eines Objekts hängt von seiner Temperatur ab. Die Moleküle eines Festkörpers schwingen bei einer hohen Temperatur mit einer größeren Amplitude als bei niedrigen Temperaturen. Bei Erwärmung nimmt daher die Schwingungsamplitude der Atome oder Moleküle eines Objekts zu. Mit zunehmender Amplitude der Schwingungen schieben sie sich gegenseitig weiter weg. Die thermische Ausdehnung führt zu einer Zunahme der Länge, Breite und Dicke einer Substanz.

Sehen wir uns jetzt das Video an:

Was ist der Unterschied zwischen linearer thermischer Ausdehnung und thermischer Volumenausdehnung?

Lineare thermische Ausdehnung in Festkörpern

Es wurde beobachtet, dass sich Festkörper bei Erwärmung ausdehnen und ihre Ausdehnung über einen weiten Temperaturbereich nahezu gleichmäßig ist. Betrachten wir einen Metallstab der Länge L° bei einer bestimmten Temperatur T°. Bei Erwärmung auf eine Temperatur T wird seine Länge zu L. Somit

Zunahme der Länge des Stabes = ΔL = L – L0

Zunahme der Temperatur = ΔT = T – T°

Es wird festgestellt, dass die Längenänderung ΔL des Festkörpers direkt proportional zu seiner ursprünglichen Länge L° und der Temperaturänderung Δ T ist. Das ist

ΔL ∝ L0ΔT

ΔL =αL0ΔT …….(1)

L – L0=αL0ΔT

oder L =L0(1+αΔT) …..(2)

Wobei α der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Stoffes ist. Aus Gleichung (1) ergibt sich

α = ΔL/L°ΔT

Koeffizient der linearen Ausdehnung

Der lineare Ausdehnungskoeffizient α eines Stoffes ist der Bruchteil der Längenzunahme pro Kelvin Temperaturerhöhung.

Siehe auch: Temperaturskalen

Formel des linearen Ausdehnungskoeffizienten

Nachfolgend eine Tabelle der linearen Wärmeausdehnung einiger Materialien:

Volumen-Wärmeausdehnung

Das Volumen eines Festkörpers ändert sich auch mit der Temperaturänderung und wird als Volumen-Wärmeausdehnung oder kubische Wärmeausdehnung bezeichnet. Betrachten wir einen Festkörper mit dem Anfangsvolumen V°. Beim Erhitzen des Festkörpers auf eine Temperatur T soll sein Volumen V werden, dann

Volumenänderung eines Festkörpers ΔV = V – V°

Temperaturänderung ΔT = T – T°

Wie bei der linearen Ausdehnung ist die Volumenänderung ΔV proportional zu seinem ursprünglichen Volumen V° und der Temperaturänderung ΔT. Somit

ΔV ∝ V° ΔT

ΔV=βV° ΔT ……(3)

V – V°=βV° ΔT

V = V°(1 + βΔT)

Wobei β der Temperaturkoeffizient der Volumenausdehnung ist. Aus Gleichung (3) ergibt sich

β = ΔV/V° Δ

Volumenexpansionskoeffizient

Der Temperatur-Volumenexpansionskoeffizient β ist der Bruchteil der Volumenänderung pro Kelvin Temperaturänderung.

Siehe auch: Strahlungsenergie

Volumenausdehnungskoeffizient

Die Koeffizienten der Längenausdehnung und der Volumenausdehnung sind durch die Gleichung verbunden:

β = 3 α

Die Werte von β für verschiedene Stoffe sind in der Tabelle angegeben:

Folgen der thermischen Ausdehnung

Warum gibt es Lücken in Eisenbahnschienen? Durch die Ausdehnung von Festkörpern können Brücken, Gleise und Straßen beschädigt werden, da sie ständigen Temperaturschwankungen unterworfen sind. Daher werden beim Zusammenziehen Vorkehrungen für die Ausdehnung und das Zusammenziehen mit der Temperatur getroffen. Zum Beispiel knicken Eisenbahnschienen an einem heißen Sommertag aufgrund der Ausdehnung ein, wenn zwischen den Abschnitten keine Lücken gelassen werden.

Brücken aus Stahlträgern dehnen sich ebenfalls tagsüber aus und ziehen sich nachts zusammen. Sie biegen sich, wenn ihre Enden fixiert sind. Um die thermische Ausdehnung zu ermöglichen, ruht der Träger auf Rollen in der Ausdehnungslücke.

Auch Freileitungen werden mit einem gewissen Durchhang versehen, damit sie sich im Winter zusammenziehen können, ohne zu reißen.

Anwendungen der Wärmeausdehnung im Alltag

Die Wärmeausdehnung wird in unserem täglichen Leben genutzt.

Thermometer

In Thermometern wird die thermische Ausdehnung bei Temperaturmessungen verwendet.

Dichte Deckel lösen

Um den Deckel einer Flasche zu öffnen, die fest genug ist, taucht man sie etwa eine Minute lang in heißes Wasser. Der Metalldeckel dehnt sich aus und wird locker. Jetzt lässt er sich leicht öffnen.

Nieten

Um Stahlplatten fest miteinander zu verbinden, werden glühende Nieten durch Löcher in den Platten gedrückt. Das Ende der heißen Nieten wird dann gehämmert. Beim Abkühlen ziehen sich die Nieten zusammen und halten die Platten fest zusammen.

Befestigung von Metallreifen auf Holzrädern

Eisenfelgen werden auf Holzrädern von Karren befestigt. Die Eisenfelgen werden erhitzt. Durch die Wärmeausdehnung gleiten sie über das Holzrad. Zum Abkühlen wird Wasser darüber gegossen. Die Felge zieht sich zusammen und wird dicht über dem Rad.

Bimetallstreifen

Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei dünnen Streifen verschiedener Metalle wie Messing und Eisen, die miteinander verbunden sind. Beim Erhitzen des Bandes dehnt sich Messing stärker aus als Eisen. Diese ungleiche Ausdehnung bewirkt die Biegung des Bandes.

Bimetallbänder werden für verschiedene Zwecke verwendet. Bimetallthermometer werden zur Temperaturmessung verwendet, vor allem in Öfen und Backöfen. Bimetallstreifen werden in Thermostaten verwendet. Ein Bimetallthermostat dient zur Regelung der Temperatur der Heizspirale eines Bügeleisens.

Thermostate

Der Thermostat ist ein Wärmeregler, der nach dem Prinzip der Wärmeausdehnung arbeitet.
Bleiben Sie dran, um Anwendungen der Ausdehnung zu sehen:

Beispiele für thermische Ausdehnung

Hier sind einige Beispiele für thermische Ausdehnung in unserem täglichen Leben.

• Risse in der Straße, wenn die Straße sich bei Erwärmung ausdehnt.
• Durchhängen von Stromleitungen.
• Fenster mit Metallrahmen brauchen Abstandshalter aus Gummi, um thermische Ausdehnung zu vermeiden.
• Dehnungsfugen (wie die Verbindung von zwei Eisenbahnschienen).
• Die Länge der Metallstange wird bei Erwärmung länger.
• Reifen platzen an heißen Tagen, wenn sie aufgrund der Wärmeausdehnung mit Luft gefüllt sind.

Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten

Die Moleküle von Flüssigkeiten können sich innerhalb der Flüssigkeit in alle Richtungen frei bewegen. Wenn man eine Flüssigkeit erwärmt, vergrößert sich die durchschnittliche Schwingungsamplitude der Moleküle. Die Moleküle schieben sich gegenseitig an und benötigen mehr Platz, den sie einnehmen können. Dies ist der Grund für die Ausdehnung der Flüssigkeit bei Erwärmung. Die thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten ist aufgrund der schwachen Kräfte zwischen ihren Molekülen größer als die von Festkörpern. Daher ist der Volumenausdehnungskoeffizient von Flüssigkeiten größer als der von Festkörpern.

Flüssigkeiten haben keine eigene, definierte Form. Eine Flüssigkeit nimmt immer die Form des Behälters an, in den sie gegossen wird. Wenn also eine Flüssigkeit erhitzt wird, verändern sowohl die Flüssigkeit als auch das Gefäß ihr Volumen. Es gibt also zwei Arten der thermischen Volumenausdehnung von Flüssigkeiten.

• Scheinvolumenausdehnung
• Realvolumenausdehnung

Anomale Ausdehnung von Wasser

Wasser beginnt beim Abkühlen unter 4 C° zu expandieren, bis es 0°C erreicht. Bei weiterer Abkühlung nimmt sein Volumen plötzlich zu, da es sich bei 0°C in Eis verwandelt. Wenn Eis unter 0°C abgekühlt wird, zieht es sich zusammen, d.h. sein Volumen nimmt wie bei Festkörpern ab. Diese ungewöhnliche Ausdehnung von Wasser wird anomale Ausdehnung von Wasser genannt.

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