Wärmeausdehnungskoeffizienten

Wärmeausdehnung bezeichnet die Zunahme der Abmessungen eines Stoffes infolge einer Temperaturerhöhung. Sie betrifft Längen (lineare Ausdehnung), Flächen und Volumen. Die Ausdehnung entsteht, weil sich die Molekülabstände mit steigender Temperatur vergrößern. Für viele Feststoffe gilt, dass sich bei einer Temperaturänderung ΔT eine relative Längenänderung ΔL/L0 ≈ α ΔT ergibt, wobei α der lineare Wärmedehnungskoeffizient des Materials ist. Das Volumenverhalten wird durch ΔV/V0 ≈ γ ΔT beschrieben, wobei γ ≈ 3α ist; für Flächenänderungen gilt ΔA/A0 ≈ β ΔT, wobei β ≈ 2α. Diese Koeffizienten sind temperaturabhängig und materialabhängig.

Wärmeausdehnung hat vielfältige praktische Folgen. Große Bauwerke, Brücken und Gleisanlagen benötigen Freiräume, Fugen oder Führungssysteme, um Temperaturänderungen aufzunehmen und Spannungen zu vermeiden. In Mess- und Regeltechnik nutzt man das Ausdehnungsverhalten von Flüssigkeiten in Thermometern oder Bimetallstreifen, zwei Metalle mit unterschiedlichen α, die sich bei Temperaturwechsel verbiegen. Bimetallstreifen finden sich in Thermometern, Heizungsregistern und Relais.

Neben technischen Vorteilen kann Wärmeausdehnung auch zu Passungenot und Materialstress führen, wenn Temperaturgradienten auftreten oder unterschiedliche Bauteile verschiedene Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Berechnung der erwarteten Ausdehnung hilft, Toleranzen, Lagerungen und Befestigungen entsprechend zu planen.

Ausnahmen: Wasser zeigt ein auffälliges Verhalten, da seine Dichte bei 4°C maximal ist und es sich beim Gefrieren stark ausdehnt. Kristalline Stoffe können anisotrope Ausdehnung zeigen, und bei manchen Materialien ändert sich der Koeffizient mit der Temperatur.