Erwärmt man einen Körper, so dehnt dieser sich in der Regel aus, während sie sich beim Abkühlen wieder zusammenziehen. Diese Eigenschaft wird/wurde verwendet, um “Temperaturmessgeräte” zu konstruieren und bildet so die Grundlage beispielsweise von Thermometern.
Jeder Körper (egal ob fest, flüssig oder gasförmig) hat bei einer bestimmten Temperatur ein messbares Volumen ein. Wenn man nun die Temperatur des Körpers (durch Erwärmen oder Abkühlen) ändert, so ändert sich auch das Volumen. Allgemein gilt, dass bei den meisten Körper bei Erwärmung das Volumen des Körpers zunimmt (Ausnahmen sind Wasser, Gummi und einige Kunststoffe).
Untersuchen wir die (thermische) Ausdehnung von verschiedenen Körpern, so fällt uns auf, dass sich diese unterschiedlich (stark) ausdehnen. So beobachten wir, dass bei festen Körpern und Flüssigkeiten die Ausdehnung von dem Stoff (aus dem der Körper besteht) abhängig ist, während bei Gasen die Ausdehnung nicht von der Art des Gases abhängig ist.
Erwärmen wir Stoffe (mit unterschiedlichen Aggregatzuständen), so lässt sich beobachten, dass die Volumenänderung bei Gasen größer ist, als bei Flüssigkeiten ist. Die Volumenänderung bei Flüssigkeiten ist größer als bei festen Körpern.
Die Volumenausdehnung eines Körpers lässt sich mit dem einfachen Teilchenmodell erklären. Allerdings sind die Ursache für die thermische Ausdehnung bei den unterschiedlichen Aggregatzuständen unterschiedlich:
Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Feste Körper wie beispielsweise Metalle bestehen aus Teilchen, die auf Gitterplätzen angeordnet sind. Diese Teilchen sind weitgehend auf den Gitterplätzen fest fixiert. Beim Erwärmen bewegen/schwingen diese Teilchen mehr, wobei sich der (mittlere) Abstand zwischen den Teilchen vergrößert. Dadurch dehnt sich der feste Körper aus.Dies können wir an einigen Beispielen im Alltag erkennen, so hängen im Sommer Hochspannungsleitungen stärker durch als im Winter. Aufgrund der höheren Temperatur sind die Leitungen “ausgedehnter” (also länger) als bei Kühlen Temperaturen.
Bei Flüssigkeiten und Gasen lässt sich die temperaturbedingte Volumenzunahme dadurch erklären, dass die Bewegung der Atome bzw. Moleküle zunimmt. Dies führt dazu, dass Teilchen mehr Raum beanspruchen und so das Volumen zunimmt. Beobachtet man die Volumenänderung bei Gasen und Flüssigkeiten, so fällt auf, dass Gase sich beim Erwärmen etwa zehnmal so stark ausdehnt, wie beispielsweise Wasser. Dies lässt sich mit dem Teilchenmodell von Gasen erklären. (Ideale) Gasteilchen sind frei beweglich und ziehen sich gegenseitig nicht an (wie z.B. Teilchen in Flüssigkeiten), daher sind die Gasteilchen in ständiger Bewegung und nehmen so ein höheres Volumen ein.
Bei Gasen und Flüssigkeiten lässt sich die Volumenänderung auch mit Hilfe der sogenannten kinetischen Wärmetheorie erklären: Bei höherer Temperatur haben Teilchen (von Gasen und Flüssigkeiten) eine höhere mittlere Geschwindigkeit (nicht alle Teilchen bewegen sich gleich schnell) und bewegen sich daher weiter/schneller fort. Dadurch kommt es zur temperaturbedingten Volumenausdehnung.
Wie oben beschrieben dehnen sich festen Körper beim Erhitzen aus, allerdings nicht so stark wie Flüssigkeiten oder Gase, was mit dem einfachen Teilchenmodell begründet werden kann. Bei festen Körpern gilt:
(*) Hinweis: Bei Temperaturerhöhung dehnt sich ein Körper in alle Raumrichtungen aus. Handelt es sich bei dem Körper um einen sehr langen Körper, so erscheint uns die Ausdehnung fast nur in Längsrichtung (siehe Beispiel Stromleitung Sommer/Winter). In der Physik befasst man sich daher überwiegend bei langen Körpern nur mit der Ausdehnung in Längsrichtung, da die ebenfalls vorhandene Ausdehnung in der “Breite” gegenüber der Länge so gering ist, dass sie vernachlässigt werden kann.
Wie oben beschrieben dehnen sich auch Flüssigkeiten beim Erwärmen aus (Ausnahme: Wasser über einen bestimmen Temperaturbereich) und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen.
Auch wie bei festen Körpern und Gasen gilt: Bei Erhöhung der Temperatur dehnen sich Gase aus, entsprechend ziehen sich Gase bei Verringerung der Temperatur zusammen. Bei Gasen ist die Volumenänderung deutlicher als bei Flüssigkeiten und festen Körpern. So dehnt sich ein Gas etwa zehnmal stärker aus, als (flüssiges) Wasser.
Da ideale Gasteilchen untereinander keine Wechselwirkung haben, ist die Volumenänderung bei Temperaturerhöhung unabhängig von der Stoffart. daher gilt für alle (idealen) Gase die gleichen “Bedingungen”. Das Volumen eines idealen Gases ändert sich daher linear mit der Temperatur.
Beim Erwärmen eines Gases wird die Bewegung der Teilchen stärker.
Erwärmung: Durch Arbeitsverrichtung wird die Innere Energie eines Körpers erhöht.
Ausdehnung bezeichnet die Vergrößerung des Volumens eines festen Körpers infolge von Temperaturerhöhung. Diese physikalische Eigenschaft ist auf die gesteigerte Bewegung der Teilchen zurückzuführen, die bei Erwärmung stattfindet, wodurch der Abstand zwischen den Teilchen zunimmt und folglich das Volumen des Körpers.
Generell dehnen sich alle Stoffe bei Erhöhung der Temperatur aus. Jedoch gibt es Unterschiede: Feste Körper dehnen sich am wenigsten aus, Flüssigkeiten dehnen sich stärker aus und Gase weisen die stärkste Ausdehnung auf.
Die Ausdehnung von Stoffen hat viele praktische Anwendungen, beispielsweise in Thermostaten, Thermometern oder bi-metallischen Streifen, deren Funktionsweise auf der verschiedenen Ausdehnung von zwei Metallen beruht.
Die Ausdehnung von Gasen wird vor allem durch die Temperatur und den Druck bestimmt. Bei konstantem Druck dehnt sich ein Gas proportional zur Temperatur aus.
Thermische Ausdehnung bezeichnet die Erhöhung des Volumens eines Körpers durch Erhöhung der Temperatur, während thermische Kompression die Verringerung des Volumens durch Abnahme der Temperatur bezeichnet.
Bei der Ausdehnung von Flüssigkeiten verhält es sich so, dass bei Erwärmung die Teilchen mehr Energie erhalten und sich stärker bewegen. Dabei vergrößert sich der Abstand zueinander und die Flüssigkeit dehnt sich aus.
Beim Erhitzen eines festen Körpers absorbieren die Teilchen die Wärmeenergie und beginnen stärker zu schwingen. Hierdurch vergrößert sich der Durchschnittsabstand zwischen den Teilchen, was zu einer Volumenausdehnung führt.
Die Ausdehnung von Stoffen spielt in der Technik eine wichtige Rolle. Beispielsweise muss die Wärmeausdehnung bei der Konstruktion von Brücken, Schienen und Gebäuden berücksichtigt werden.
Bei Gasen steht die Ausdehnung in direkter Verbindung mit dem Druck. Wenn der Druck konstant gehalten wird, dehnt sich ein Gas bei Erwärmung aus, da die Teilchen stärker gegen die Behälterwände stoßen und so das Volumen vergrößern.
Die temperaturabhängige Volumenausdehnung bei festen Stoffen wird durch den sogenannten Ausdehnungskoeffizienten gemessen. Er gibt an, um wie viel sich das Volumen eines Stoffes bei einer Temperaturerhöhung um 1 Grad Celsius verändert.