Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Festkörper dehnen sich beim Erwärmen aus, d.h. sie werden länger und auch "dicker".
Dabei können große Kräfte entstehen, die unter Umständen auch zur Zerstörung des Körpers führen können. Daher ist es auch beim Bauen und in der Technik wichtig, die Wärmeausdehnung von Körpern zu berücksichtigen.

Die hier gezeigten Bilder sind Ausschnitte aus entsprechenden Versuchsvideos von T. Hemmert an der Universität Würzburg.

1.1) Verlängerung eines Drahtes durch Stromfluss und Erhitzen.

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Ein Draht hängt von der Decke. Wird er an eine Stromquelle angeschlossen, erhitzt der kräftige Strom den Draht so stark, dass er zum Glühen kommt. Dabei verlängert er sich stark. Wird der Stromkreis wieder unterbrochen, so kühlt der Draht wieder ab und verkürzt sich dabei wieder auf seine Ausgangslänge.

Versuchsvideo (Format mpg, 1,6 MB)

1.2) Der Bolzensprenger

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Ein Stab aus Schmiedeeisen wird zwischen zwei stabilen Haltungen eingespannt. Auf der rechten Seite befindet sich ein Bolzen aus Gusseisen, auf der anderen ein stabiles Gewinde mit Mutter. Der Stab wird nun mit einem Bunsenbrenner einige Minuten lang erhitzt. Dabei verlängert sich der Stab. Um den Bolzen weiter festzuhalten, wird die Flügelmutter links immer wieder nachgespannt. Dann lässt man den Stab abkühlen. Dabei verkürzt sich die Stange immer weiter und sprengt schließlich den Bolzen.

Versuchsvideo (Format mpg, 2,7 MB)

2.) Festkörper werden auch breiter.

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Zu Beginn des Experimentes passt eine Eisenkugel durch einen Ring aus Schmiedeeisen. Danach wird die Eisenkugel etwa 40s lang mit einem Bunsenbrenner erwärmt. Sie hat sich dabei nach allen Seiten ausgedehnt und passt danach nicht mehr durch den Ring.

Lässt man sie abkühlen, so zieht sich die Eisenkugel aber wieder zusammen und fällt schließlich durch den Ring

Versuchsvideo (Format mpg, 1,5 MB)

3) Technische Bedeutung der Wärmeausdehnung von Festkörpern.

3.1.) Bau von Brücken

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Bestimmt ist Dir schon aufgefallen, dass man ein "plop" Geräusch hört, wenn man mit dem Auto auf eine (Autobahn-)Brücke fährt oder sie verlässt.
Das kommt daher, dass man die Brücken nicht fest mit dem umgebenden Gelände verbindet, sondern eine "Dehnungsfuge" vorsieht. Sie sorgt dafür, dass sich die Brücke ausdehnen kann, wenn sie sich in einem heißen Sommer verlängert.

Die Brücke liegt dabei auch nicht fest auf den tragenden Pfeilern auf, sondern ist auf einem Rollenlager oder Gleitlager gelagert. So kann sich die Brücke bei Ausdehnung verschieben.

Das kannst Du auf dem Bild sehen, das die Bahnüberführung in Eislingen / Fils zeigt.
An dem Zeiger kann man sogar ablesen, um wie viel sich die Brücke verlängert oder verkürzt hat.

3.2.) Ausdehnung von Eisenbahnschienen.

Auch Eisenbahnschienen verlängern sich beim Erwärmen. Die Schienen können sich dann verbiegen und ein darauf fahrender Zug kann entgleisen. Daher hat man früher zwischen den einzelnen Schienen eine Dehnfuge gelassen. Sie erzeugten das "da-dam-da-dam" Geräusch, das jedes Mal entstand, wenn das Rad in die kleine Dehnungsfuge fuhr. Das war wenig komfortabel und die Schienen waren einem schnelleren Verschleiß ausgesetzt. Auf manchen Nebenstrecken kann man das auch heute noch beobachten.

Das Foto entstand auf der 750 mm Schmalspur Öchsle-Bahn von Warthausen nach Ochsenhausen im Landkreis Biberach.

Heute verschweißt man die Schienen und verwendet besonderen Stahl. Außerdem werden sie auf Betonschwellen sehr fest verschraubt und mit dem Boden gut verankert. (Schau Dir hier z.B. den Gleisbau bei einer neuen Hochgeschwindigkeitsstrecke an.)

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

3.3.) Ausdehnung von Oberleitungen bei der Bahn.

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Nicht nur die Schienen können sich beim Erwärmen verlängern, sondern auch die Oberleitungen für die Stromzufuhr zu den Elektrolokomotiven. Im Sommer würden diese durchhängen, im Winter könnten sie durch zu starke Spannung u.U. reißen.

Daher werden die Leitungsdrähte an den Masten nicht fest verschweißt, sondern werden in bestimmten Abständen von wenigen Kilometern über Umlenkrollen von Gewichten gespannt. Diese Gewichte können sich bei Ausdehnung nach unten und bei Abkühlung nach oben bewegen und halten so die Leitungsdrähte immer straff gespannt. Solche Ansatzstellen sind überraschend häufig, vor allem, wenn die Streckenführung kurvig ist.

Das Foto zeigt einen so gespannten Fahrdraht auf der Remstalbahn bei Lorch Württemberg.

Bei den großen Stromleitungen ist dies übrigens kein Problem, sie hängen bei Temperaturänderung mehr oder weniger durch. Anders als bei der Eisenbahn müssen sie ja keinen festen Abstand zum Erdboden haben.

3.4.) Anschlussfugen bei Badewannen und Duschen.

Wahrscheinlich hast Du schon bemerkt, dass Fliesen mit einem Fugenmörtel verfugt sind, die Anschlussfugen zu Badewannen und Duschen aber mit einer gummiartigen Substanz - Silicon - verfugt sind. Warum?

Ist heißes Wasser in der Wanne, dehnt sie sich aus. Wären die Anschlussfugen mit Mörtel gefüllt, würden sie in kürzester Zeit Risse bekommen. Wasser würde eindringen und Schäden in der Wand verursachen.
Das Silicon wird beim Ausdehnen der Wanne leicht zusammengedrückt, bleibt aber elastisch und dichtet gut ab. Es bildet die Dehnungsfuge.
Auch in den Ecken, wo die Wände aneinander stoßen und am Fußboden sieht man solche Silicon-Fugen vor.

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Dehnungsfugen beim Bau.

Auch beim Bau muss man solche Dehnungsfugen in bestimmten Abständen vorsehen. Lange Betonmauern sind daher nie in voller Länge vergossen, sondern es ist in bestimmten Abständen immer eine Dehnungsfuge vorgesehen. Auch bei den Estrichen bei Fußböden muss man ab einer bestimmten Fläche solche Dehnungsfugen vorsehen.
In Häusern ist das Problem aber kleiner als in der Natur, weil die Temperaturunterschiede nicht so groß sind.

Kennst Du noch andere Fälle, wo die Ausdehnung von Festkörpern eine Rolle spielt? Du kannst uns die Anwendung ja beschreiben und ein Bild schicken.

Wir würden uns darüber freuen und Deinen Beitrag (mit Namensnennung) hier noch aufnehmen.

Was passiert mit Körpern wenn sich die Temperatur verändert? Dieser Frage wollen wir in diesem Artikel auf den Grund gehen. Wir erklären Dir, warum und wie sich das Volumen von Körpern verändert.

Dieser Artikel gehört zu dem Fach Physik und kann dem Thema Wärmelehre zugeordnet werden.

Was passiert mit Körpern wenn sich die Temperatur verändert?

Ein Körper ist in der Physik dadurch gekennzeichnet, dass er eine Masse besitzt und Raum einnimmt. Diese Körper können entweder fest, flüssig oder gasförmig sein (Aggregatzustand). Bei einer bestimmten Temperatur hat der jeweilige Körper immer ein bestimmtes Volumen. Das Volumen wird mit dem Formelzeichen V abgekürzt und gibt an, wie viel Rauminhalt der jeweilige Körper einnimmt.

Wenn sich die Temperatur ändert, verändert sich in der Regel auch das Volumen des Körpers. Die Volumenänderung ist dabei abhängig von dem Ausgangsvolumen und der Temperaturveränderung: je größer das Ausgangsvolumen ist und je größer die Temperaturänderung ist, desto größer ist die Veränderung des Volumens. Außerdem hängt die Volumenänderung auch von dem Stoff des Körpers ab.

  • Körper besitzen Masse und nehmen Raum ein
  • Körper können fest, flüssig oder gasförmig sein (Aggregatzustand)
  • Das Volumen V eines Körpers gibt an, wie viel Rauminhalt er einnimmt • Die Volumenänderung ist abhängig von dem Stoff und dem Ausgangsvolumen des Körpers, sowie von der Temperaturveränderung
  • Je größer das Ausgangsvolumen und die Temperaturänderung, desto größer ist die Volumenveränderung

Wie verändert sich das Körpervolumen bei Temperaturänderung?

In der Regel kann gesagt werden, dass das Volumen sich mit einer Erhöhung der Temperatur vergrößert. Umgekehrt verkleinert sich das Volumen bei Abkühlung. Dies kann dadurch begründet werden, dass warme Teilchen stärker hin- und herschwingen, weshalb sie mehr Raum benötigen. Man kann also sagen, dass die Körper sich bei Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen.

  • Das Volumen eines Körpers vergrößert sich, wenn sich seine Temperatur erhöht und umgekehrt
  • Die Begründung der Volumenveränderung bei Temperaturänderung lässt sich mit der Geschwindigkeit der Teilchenbewegung erklären: je wärmer der Körper ist, desto schneller können die Teilchen hin- und herschwingen

Volumenveränderung von festen Körpern bei Temperaturänderung

Wenn sich die Temperatur eines festen Körpers zunimmt, vergrößert er seine Länge, seine Breite, sowie sein Volumen. Durch die zunehmende Temperatur schwingen die Teilchen in dem Festkörper stärker um ihre Ruhelage, wodurch sich die Abstände zwischen den Molekülen vergrößern.

Dies hat zur Folge, dass das Volumen größer wird und die Kräfte, welche die Teilchen des Festkörpers zusammenhalten (Kohäsionskräfte genannt) geringer werden.

Sinkt die Temperatur des Körpers wieder, verkleinert sich das Volumen wieder. Bei dem Bau von Brücken, Staudämmen oder Bahnschienen zum Beispiel muss diese Volumenveränderung deshalb immer berücksichtigt werden. Sie müssen so konstruiert werden, dass eine Volumenveränderung durch Temperaturänderungen die Funktion der Brücke nicht beeinträchtigt oder gar zu Schäden führt.

  • Die Temperaturänderung eines festen Körpers führt zu einer Veränderung seiner Länge, seiner Breite und seines Volumens
  • Zunahme der Temperatur führt zu einer Vergrößerung, da die Teilchen stärker schwingen und die Abstände zwischen ihnen größer werden
  • Abnahme der Temperatur führt zu einer Verkleinerung
  • Bei technischen Konstruktionen (z.B. Brücken) muss die Volumenänderung berücksichtigt werden

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Auch bei flüssigen Körpern vergrößert sich ihr Volumen durch eine Temperaturzunahme und verkleinert sich durch eine Temperaturabnahme. Diese Volumenveränderung kann ebenfalls mit der veränderten Geschwindigkeit der Teilchenbewegung erklärt werden. Beim Befüllen von Tanklastern oder Flaschen muss die Volumenveränderung zum Beispiel berücksichtigt werden. Dies ist der Grund, weshalb Tanklaster in der Regel nicht randvoll gefüllt werden.

Wäre dies der Fall, würde mit der Volumenänderung Benzin auslaufen und deshalb die Umwelt gefährden. Außerdem kann hinzugefügt werden, dass sich mit der Volumenveränderung von flüssigen Körpern auch ihre Dichte verändert. Im Allgemeinen sinkt die Dichte einer Flüssigkeit, wenn die Temperatur steigt. Die Volumenänderung eines flüssigen Körpers kann aber auch praktisch genutzt werden. Ein Beispiel dafür ist ein Flüssigkeitsthermometer. Wie dieser funktioniert, kannst du in dem Artikel Temperatur und Wärme nachlesen.

  • Das Volumen von flüssigen Körpern nimmt bei Temperaturzunahme zu und bei Temperaturabnahme ab
  • Die Volumenveränderung von Flüssigkeiten muss zum Beispiel beim Befüllen eines Tanklasters berücksichtigt werden
  • Die Dichte eines flüssigen Körpers nimmt ab, wenn die Temperatur zunimmt
  • Volumenänderung von Flüssigkeiten kann auch genutzt werden (z.B. Flüssigkeitsthermometer)

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Volumenveränderung von gasförmigen Körpern bei Temperaturänderung

Ebenso wie bei festen und flüssigen Körpern, vergrößert sich auch das Volumen eines flüssigen Körpers, wenn sich die Temperatur erhöht und umgekehrt. Gase dehnen sich bei Temperaturzunahme aus und ziehen sich bei Temperaturabnahme wieder zusammen. Dies kann beispielsweise beim Aufblasen einer Luftmatratze beachtet werden. Liegt diese in der prallen Sonne, wird der Druck im Inneren durch die Temperaturerhöhung größer, weshalb sie sich die Luft im Inneren stärker ausbreitet und die Matratze sich folglich stärker aufbläst. Dieser Druck muss auch beim Aufpumpen von Fahrzeugreifen berücksichtigt werden. Um einerseits zu verhindern, dass die Reifen bei einer starken Temperaturzunahme platzen und um andererseits die Volumenabnahme bei Temperaturabnahme im Blick zu behalten.

  • Das Volumen von gasförmigen Körpern nimmt bei Temperaturzunahme zu und bei Temperaturabnahme ab
  • Die Volumenveränderung kann mit der Teilchenbewegung begründet werden
  • Die Ausdehnung von Gasen muss beim Aufpumpen von Fahrzeugreifen berücksichtigt werden

Wann dehnen sich feste Körper aus und wann ziehen sie sich zusammen?

Gasförmige Körper dehnen sich stärker als flüssige Körper und flüssige Körper stärker als feste Körper aus. Dies kann erneut mit der Teilchenbewegung erklärt werden, welche mit einer Temperaturzunahme zunimmt. Da die Moleküle in Gasen bereits viel Raum einnehmen und stark schwingen, ist hierbei die Teilchenbewegung bereits höher als die bei flüssigen oder gar festen Körpern.

Wie wird die Volumenänderung bei Temperaturänderung berechnet?

Die Volumenänderung ∆V wird aus dem Produkt des Volumenausdehnungskoeffizient γ dem Ausgangsvolumen V0 und der Temperaturdifferenz ∆T berechnet. Der Volumenausdehnungskoeffizient ist abhängig von dem Stoff des jeweiligen Körpers. Er gibt an, wie stark sich der jeweilige Körper in Abhängigkeit zu dem Stoff ausdehnt. Daher hat jeder Körper seinen eigenen Ausdehnungskoeffizienten. Eisen dehnt sich beispielsweise fast viermal so stark aus wie Glas.

∆V = γ • V0 • ∆T

Das neue Volumen des Körpers nach der Temperaturänderung ∆T wird folgendermaßen berechnet:

V = V0 + ∆V = V0 (1 + γ • ∆T)

Volumenveränderung von Körpern bei Temperaturänderung – Alles Wichtige auf einen Blick:

  • Körper können fest, flüssig oder gasförmig sein (Aggregatzustand)
  • Das Volumen V eines Körpers gibt an, wie viel Rauminhalt er einnimmt
  • Je größer das Ausgangsvolumen und die Temperaturänderung, desto größer ist die Volumenveränderung: je wärmer der Körper ist, desto schneller können die Teilchen hin- und herschwingen (Teilchenbewegung)
  • Allgemein kann man sagen: die Volumenveränderung ist bei gasförmigen Körpern größer als bei flüssigen Körpern und bei flüssigen Körpern größer als bei festen Körpern