Wärmeausdehnung

Die meisten Materialien dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Dies nennt man Wärmeausdehnung, und es geschieht, weil die Teilchen bei höheren Temperaturen stärker schwingen.

Was ist Wärmeausdehnung?

Wenn ein Stoff erhitzt wird, schwingen seine Teilchen (Atome oder Moleküle) energiereicher und schieben sich gegenseitig weiter auseinander. Dadurch dehnt sich das Material aus.

Lineare Ausdehnung (Feststoffe)

Für einen festen Stab gilt für die Längenänderung:

Lineare Wärmeausdehnung

\Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T

α = linearer Ausdehnungskoeffizient (1/°C), L₀ = ursprüngliche Länge (m), ΔT = Temperaturänderung (°C).

Häufige Ausdehnungskoeffizienten

Material	α (×10⁻⁶ /°C)
Stahl	12
Aluminium	23
Glas	9
Beton	12

Alltagsbeispiele

Schienenlücken: Zwischen Schienenstößen werden kleine Lücken gelassen, damit sie sich im Sommer nicht verbiegen
Brücken: Dehnungsfugen ermöglichen Bewegung
Thermometer: Flüssigkeit dehnt sich in einem engen Röhrchen aus
Bimetallstreifen: Zwei Metalle dehnen sich unterschiedlich stark aus, was den Streifen zum Biegen bringt (verwendet in Thermostaten)

Hinweis Wasser ist eine Ausnahme – es dehnt sich beim Gefrieren (0 °C) aus, weshalb Eis schwimmt und Rohre im Winter platzen.

Eine Stahlschiene ist bei 10 °C 20 m lang. Wie viel dehnt sie sich aus, wenn sie auf 40 °C erhitzt wird?

$\Delta T = 40 - 10 = 30 \text{ °C}$

$\Delta L = 12 \times 10^{-6} \times 20 \times 30 = 0{,}0072 \text{ m} = 7{,}2 \text{ mm}$

Praxisbezug: Dehnungsfugen an Stahlbrücken

Eine 500 m lange Stahlbrücke (α = 12 × 10⁻⁶/°C) erlebt zwischen Winter und Sommer eine Temperaturschwankung von 40 °C. Mit ΔL = α · L₀ · ΔT:

$\Delta L = 12 \times 10^{-6} \times 500 \times 40 = 0{,}24 \text{ m} = 24 \text{ cm}$

Das ist fast ein Viertel Meter! Dehnungsfugen ermöglichen es dem Brückendeck, sich frei zu verschieben, ohne sich zu verbiegen.

Praxisbezug: Bimetallstreifen im Thermostat

Ein Haushaltsthermostat enthält einen Streifen aus Messing und Stahl, die miteinander verbunden sind. Messing dehnt sich stärker aus als Stahl (α_Messing ≈ 19 × 10⁻⁶/°C gegenüber α_Stahl ≈ 12 × 10⁻⁶/°C). Wenn sich der Raum erwärmt, biegt sich der Streifen, weil die Messingseite länger werden will. Bei der eingestellten Temperatur öffnet die Biegung den Stromkreis und schaltet die Heizung automatisch ab.

Praxisbezug: Festsitzender Glasdeckel

Wenn man heißes Wasser über einen Metalldeckel laufen lässt, erwärmt sich das Metall schneller als das Glas. Das Metall dehnt sich aus (α_Stahl ≈ 12 × 10⁻⁶/°C, α_Glas ≈ 9 × 10⁻⁶/°C), und die Dichtung lockert sich gerade genug, um den Deckel leicht abzudrehen.

Tipp Wo begegnest du dem im Alltag? Achte auf Dehnungsfugen an Brücken, Schienen und Betongehwegen — die kleinen Lücken sind absichtlich dort, um Wärmeausdehnung zu ermöglichen!

Übungsaufgaben

Warum werden Lücken zwischen Abschnitten eines Betongehwegs gelassen?

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Um Raum für die Wärmeausdehnung bei heißem Wetter zu schaffen und so Risse und Verwerfungen zu verhindern.

Ein Aluminiumstab (α = 23×10⁻⁶/°C) ist bei 20 °C 1 m lang. Bestimme seine Länge bei 70 °C.

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ΔL = 23×10⁻⁶ × 1 × 50 = 0,00115 m. Neue Länge = 1,00115 m.