Ausdehnung fester, flüssiger und gasfömiger Körper

Ausdehnung verschiedener Körper

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.

Erklärung der Volumenausdehnung beim Erwärmen

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.

Ausdehnung von Festkörpern beim Erwärmen

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:

• Je stärker ein fester Körper erwärmt, desto stärker dehnt sich der Körper aus (Ausnahmen: Gummi, Kunststoffe über einen bestimmten Temperaturbereich). Entsprechend gilt beim Abkühlen, dass ein fester Körper sich umso stärker zusammenzieht, je stärker der Festkörper abkühlt wird. Dies ist bei einfachen Betrachten oft schwierig zu erkennen, so dehnt sich ein 1m langer Kupfer-Draht bei Erwärmen von 0°C auf 100°C nur etwa um 1,7 mmaus.

• Aufgrund der Anordnung der Teilchen in einem Festkörper kommt es (im Gegensatz zu Teilchen eines idealen Gases) zu Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Da unterschiedliche Festkörper aus unterschiedlichen Teilchen bestehen (Eisen aus “Eisenteilchen”, Kupfer aus “Kupferteilchen”, ist die Wechselwirkung der Teilchen untereinander unterschiedlich. Daher ist die Volumenausdehnung bei Festkörper  auch vom Stoff abhängig, aus dem der Festkörper besteht.

• Bei der Bestimmung der Volumenausdehnung gilt: Je größer (länger) ein Festkörper ist, desto stärker verändert der Körper bei Temperaturveränderung sein Volumen (bzw. Länge). Je größer die Temperaturveränderung  des Körpers ist, desto stärker verändert sich auch sein Volumen(*)

(*) 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.

Ausdehnung von Flüssigkeiten beim Erwärmen

Wie oben beschrieben dehnen sich auch Flüssigkeiten beim Erwärmen aus (Ausnahme: Wasser über einen bestimmen Temperaturbereich) und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen.

• Ähnlich wie bei festen Körpern hängt die Volumenänderung von dem Ausgangsvolumen der Flüssigkeit ab. Je größer das Volumen, umso größer ist die Volumenänderung.

• Entsprechend wie bei Metallen ist die Volumenänderung auch von der Temperaturänderung abhängig. Je größer die Temperaturänderung, desto größer ist die Volumenänderung.
• Aufgrund der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Teilchen ist die thermische Volumenänderung abhängig vom dem Stoff, aus dem der Körper besteht.

Ausdehnung von Gasen beim Erwärmen

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.