Ausdehnungskoeffizient
Feststoffe dehnen sich meist als Reaktion auf Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Diese Reaktion auf Temperaturänderungen wird als ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ausgedrückt.
Es wird der Wärmeausdehnungskoeffizient verwendet:
- bei linearer thermischer Ausdehnung
- im Bereich thermische Ausdehnung
- bei der volumetrischen Wärmeausdehnung
Diese Merkmale sind eng miteinander verwandt. Der volumetrische Wärmeausdehnungskoeffizient kann für alle Stoffe kondensierter Materie (Flüssigkeiten und Festkörper) gemessen werden. Die lineare thermische Ausdehnung kann nur im festen Zustand gemessen werden und ist in technischen Anwendungen üblich.
Wärmeausdehnungskoeffizienten für einige gängige Materialien
Die Ausdehnung und Kontraktion von Material muss beim Entwurf großer Strukturen, bei der Verwendung von Band oder Kette zur Abstandsmessung für Landvermessungen, beim Entwurf von Formen für das Gießen von heißem Material und bei anderen technischen Anwendungen, bei denen große temperaturbedingte Dimensionsänderungen zu erwarten sind, berücksichtigt werden. Der Bereich für α reicht von 10-7 für harte Feststoffe bis 10-3 für organische Flüssigkeiten. α variiert mit der Temperatur, und einige Materialien weisen eine sehr hohe Schwankungsbreite auf. Einige Werte für gebräuchliche Materialien, angegeben in Teilen pro Million pro Grad Celsius: (ANMERKUNG: Dies kann auch in Kelvin angegeben werden, da die Temperaturänderungen ein Verhältnis von 1:1 sind)| Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung α | |
| Material | α in 10-6/K bei 20 °C |
| 60 | |
| BCB | 42 |
| Leitung | 29 |
| Aluminium | 23 |
| Messing | 19 |
| 17.3 | |
| Kupfer | 17 |
| Gold | 14 |
| Nickel | 13 |
| 12 | |
| Eisen oder Stahl | 11.1 |
| 10.8 | |
| Platin | 9 |
| 8.5 | |
| GaAs | 5.8 |
| Indiumphosphid | 4.6 |
| Wolfram | 4.5 |
| Glas, Pyrex | 3.3 |
| 3 | |
| Invar | 1.2 |
| 1 | |
| Quarz, geschmolzen | 0.59 |
Bewerbungen
Für Anwendungen, die die thermische Ausdehnungseigenschaft nutzen, siehe Bimetall- und Quecksilberthermometer
Die Wärmeausdehnung wird auch bei mechanischen Anwendungen verwendet, um Teile übereinander zu montieren, z.B. kann eine Buchse über eine Welle montiert werden, indem ihr Innendurchmesser etwas kleiner als der Durchmesser der Welle gemacht wird, sie dann erwärmt wird, bis sie über die Welle passt, und dann abkühlen gelassen wird, nachdem sie über die Welle geschoben wurde, wodurch ein "Schrumpfsitz" erreicht wird.
Es gibt einige Legierungen mit einem sehr kleinen WAK, die in Anwendungen eingesetzt werden, die sehr kleine Änderungen der physikalischen Dimension über einen Temperaturbereich erfordern. Eine dieser Legierungen ist Invar 36 mit einem Koeffizienten im Bereich von 0,6x10-6. Diese Legierungen sind in Luft- und Raumfahrtanwendungen nützlich, wo große Temperaturschwankungen auftreten können.
Fragen und Antworten
F: Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient?
A: Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Maß dafür, wie stark sich ein Festkörper bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht.
F: Was sind die drei Arten der Wärmeausdehnung?
A: Die drei Arten der Wärmeausdehnung sind die lineare Wärmeausdehnung, die flächenmäßige Wärmeausdehnung und die volumetrische Wärmeausdehnung.
F: Was ist der Unterschied zwischen linearer Wärmeausdehnung und volumetrischer Wärmeausdehnung?
A: Die lineare thermische Ausdehnung bezieht sich auf Längenänderungen, während sich die volumetrische thermische Ausdehnung auf Änderungen des Volumens bezieht.
F: Kann der volumetrische Wärmeausdehnungskoeffizient für Flüssigkeiten gemessen werden?
A: Ja, der volumetrische thermische Ausdehnungskoeffizient kann für alle Substanzen kondensierter Materie, einschließlich Flüssigkeiten, gemessen werden.
F: In welchem Zustand kann die lineare thermische Ausdehnung gemessen werden?
A: Die lineare thermische Ausdehnung kann nur im festen Zustand gemessen werden.
F: Warum ist die lineare thermische Ausdehnung in technischen Anwendungen üblich?
A: Die lineare Wärmeausdehnung ist in technischen Anwendungen weit verbreitet, da sie für Strukturen und Komponenten relevant ist, die ihre Form und Größe bei unterschiedlichen Temperaturen beibehalten müssen.
F: Sind die verschiedenen Arten der Wärmeausdehnung eng miteinander verbunden?
A: Ja, die verschiedenen Arten der Wärmeausdehnung (lineare, flächenmäßige und volumetrische) sind eng miteinander verbunden.
