Volumenausdehnung

Volumenausdehnung beschreibt, wie sich das Volumen eines Materials mit der Temperatur bei konstantem Druck ändert. Der volumetrische Ausdehnungskoeffizient β_V (Einheit K^-1) ist definiert als β_V = (1/V)(dV/dT)_P. Bei isotropen Materialien gilt für kleine Temperaturänderungen ΔV ≈ β_V V0 ΔT. Da β_V ≈ 3α für viele Feststoffe ist, ist der volumetrische Koeffizient grob drei Mal so groß wie der lineare Expansionskoeffizient α.

Der Effekt hängt vom Material ab: Metalle haben im Allgemeinen β_V im Bereich von 10^-5 bis 10^-4 K^-1; Polymere und Flüssigkeiten zeigen oft größere Werte; Keramiken und Verbundwerkstoffe variieren. Wasser ist wegen seiner Dichteanomalie bemerkenswert: Nahe 4°C ändert sich β_V deutlich, da die Dichte von Wasser dort ein Maximum hat; oberhalb dieses Punktes ist β_V meist positiv, unterhalb davon kann es zu negativen Werten kommen.

Zusätzlich beeinflusst Druck das Volumen über die Kompressibilität κ_T; bei höherem Druck nimmt das Volumen ab: ΔV ≈ -κ_T V ΔP. In der Technik wird die Volumenausdehnung bei der Auslegung von Toleranzen, Montagen, Expansionsfugen, Bauwerken und Präzisionsgeräten berücksichtigt.

Messung erfolgt durch Dilatometrie oder Interferometrie; Tabellen listen β_V für viele Materialien bei Standardbedingungen, während Temperaturabhängigkeiten für genauere Berechnungen angegeben werden.