In einem vorherigen Kapitel hatten wir uns ausführlich mit dem Verhalten von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen bei Temperaturänderung beschäftigt.
Erwärmt man einen Körper, so hat jeder Körper (egal ob fest, flüssig oder gasförmig) bei einer bestimmten Temperatur ein messbares Volumen. Ändert man die Temperatur des Körpers, 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).
Aus Untersuchungen zum thermischen Verhalten von verschiedenen Stoffen wissen wird, dass sich Körper bei Zufuhr gleicher Wärmemenge unterschiedlich (stark) ausdehnen.
Betrachten wir die drei Aggregatzustände, so gilt im Allgemeinen, dass bei festen Körpern und Flüssigkeiten die Ausdehnung stoffabhängig ist, während bei Gasen die Ausdehnung nicht von der Art des Gases abhängig ist. Grundsätzlich ist die Volumenänderung bei Gasen größer, als bei Flüssigkeiten und die Volumenänderung bei Flüssigkeiten größer als bei festen Körpern (im Vergleich vorher – nachher).
Erwärmt verschiedene feste Stoffe, so stellt man fest, dass diese sich bei Zuführung gleicher Wärmeenergie unterschiedlich stark ausdehnen. Die Ausdehnung bei Temperatur ist also stoffabhängig und für jeden Stoff charakteristisch (vergleichbar wie der Siedepunkt von Stoffen). Daher hat man auch eine stoffspezifische Größe eingeführt, den sogenannten Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist eine physikalische Größe, die Volumenänderungen von Stoffen bei Temperaturveränderungen beschreibt. In der alltäglichen Sprache spricht man auch (nur) vom Ausdehnungskoeffizienten. In der Wärmelehre wird für den Begriff “Ausdehnungskoeffizient” auch oft der Begriff “thermischer Ausdehnungskoeffizient” verwendet, um auszudrücken, dass die Ausdehnung eine Folge der Temperaturänderung ist. Da der Ausdehnungskoeffizient eine stoffspezifische Größe ist, wird der Ausdehnungskoeffizient auch als Kenngröße bezeichnet.
Im Rahmen der Allgemeinen Chemie hatten wir uns mit den unterschiedlichen Aggregatzuständen befasst. Ein wesentlicher Unterschied der einzelnen Aggregatzustände war, dass feste Körper eine “Gestalt” besitzen, während flüssige und gasförmige Körper bzw. Stoffe gestaltlos sind. Flüssige und gasförmige Stoffe passen sich der “Gestalt” der Umgebung an, beispielsweise Wasser in einem Glas.
Daher unterscheidet man auch zwei Arten von Ausdehnungskoeffizienten, zum einen den Längenausdehnungskoeffizienten (der auch als linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bezeichnet wird) und zum anderen den Volumenausdehnungskoeffizienten.
Im Rahmen der Wärmelehre an Schulen geht man bei Gasen von einem idealen Gas aus (ein Gas, für das das ideale Gasgesetz gilt). Das bedeutet, dass an Schulen in der Regel der Volumenausdehnungskoeffizient als fester Wert angenommen wird. Da sich ideale Gase proportional zur (absoluten) Temperatur ausdehnen, ist der Temperaturkoeffizient von idealen Gasen: 1 : 273. Ebenfalls wird der Längenausdehnungskoeffizient von idealen Stoffen berechnet, d.h. der feste Körper besteht aus gleichem Material von gleicher Beschaffenheit (an allen Stellen). Dabei wird die Längenausdehnung folgendermaßen berechnet: ΔL = a · L · ΔT (Längenausdehnungskoeffizient · Länge des Köprers · Temperaturänderung)
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, gilt, dass bei den meisten Körper bei Erwärmung das Volumen des Körpers zunimmt. Bei diesen Stoffen liegt ein positiver Wärmeausdehnungskoeffizient vor. Allerdings gibt es auch Stoffe mit negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten, Beispiele hierfür sind Gummi und einige Kunststoffe (in einigen Temperaturbereichen).
Der Ausdehnungskoeffizient ist eine physikalische Eigenschaft, die die Ausdehnung eines Materials infolge von Temperaturänderungen beschreibt.
Der Ausdehnungskoeffizient wird häufig in Bereichen wie Materialwissenschaften, Bauwesen, und Thermodynamik verwendet.
Die Auswirkungen des Ausdehnungskoeffizienten variieren je nach Material. Einige Materialien dehnen sich mehr aus als andere, wenn die Temperatur erhöht wird.
Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Materials hoch ist, bedeutet dies, dass sich das Material bei Erwärmung stark ausdehnt.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient bezieht sich auf die Ausdehnung einer Dimension (Länge) eines Körpers, während der volumetrische Ausdehnungskoeffizient die Änderung des Gesamtvolumens eines Körpers beschreibt.
Die Temperaturänderung bewirkt eine Änderung in der Länge eines Körpers. Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich der Körper aus, und der lineare Ausdehnungskoeffizient ist positiv.
Der Ausdehnungskoeffizient wird in Einheiten von 1/°C oder °C-1 gemessen. Es beschreibt die relative Änderung der Dimension oder des Volumens pro Grad Temperaturänderung.
Materialien mit hohen (Wärme) Ausdehnungskoeffizienten sind z.B. Metalle wie Kupfer, Aluminium und Eisen.
Wenn ein Material einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten hat, bedeutet dies, dass es sich bei Erwärmung nur wenig ausdehnt.
Der Ausdehnungskoeffizient spielt in der thermischen Analyse eine wichtige Rolle, da er hilft, das Verhalten von Materialien bei Temperaturänderungen vorherzusagen. Damit lassen sich eventuelle mechanischen Spannungen aus der Wärmeausdehnung abschätzen.