Wärmeexpansion

Wärmeexpansion bezeichnet die Zunahme der Abmessungen eines Körpers, wenn die Temperatur steigt. Sie entsteht durch die Zunahme der mittleren Amplituden der Atomschwingungen und damit eine Vergrößerung der mittleren Abstände im Kristallgitter oder in Molekülverbänden. Auf makroskopischer Ebene kann man zwischen linearer, flächen- und volumetrischer Ausdehnung unterscheiden.

Für lineare Expansionsmessungen gilt grob L(T) = L0 [1 + α ΔT], wobei α der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ist. Die volumetrische Ausdehnung folgt V(T) = V0 [1 + β ΔT], wobei β etwa 3α ist bei isotropen Festkörpern. α ist stark temperatur- und materialabhängig und variiert auch nach Richtung in anisotropen Kristallen.

Hinweise zu Materialien: Metalle haben typischerweise α im Bereich von wenigen 10^-6 bis zu einigen 10^-5 /K; Kunststoffe oft größer; Gele und Flüssigkeiten besitzen meist größere Koeffizienten. Es gibt auch Materialien mit negativer Wärmeausdehnung (NTE), die beim Erhitzen schrumpfen, sowie Materialien mit sehr kleinem Koeffizienten wie Invar. In einigen Kristallen kann die Richtung des Ausdehnungsverhaltens stark anisotrop sein, z. B. bei Graphitstrukturen.

Anwendungen: Wärmeausdehnung ist bei Konstruktionen zu berücksichtigen, etwa Zwischenräume in Brücken, Rohrleitungen, Motor- und Raumfahrtkomponenten, Bimetallstreifen in Thermostaten, Präzisionsinstrumente und Glas- oder Glasfaserbaugruppen.

Messung und Grenzen: Wärmeausdehnung wird durch Dilatometrie, interferometrische oder mechanische Messungen ermittelt; Nichtlineare Abhängigkeiten, Phasenübergänge und Umgebungsbedingungen können das Verhalten komplex machen.