Wärmeausdehnung und ihre Anwendung

Ufff ... Lina! Kannst du mir helfen, das Glas zu öffnen? Es klemmt! Wie kriegen wir es nur auf?

Versuch's mal mit diesem Trick! Nimm eine Schüssel und gieße heißes Wasser hinein. Stelle das verschlossene Glas kopfüber in die Schüssel, so dass der Deckel unter Wasser ist. Lass das Glas so ein paar Minuten stehen. Nimm das Glas aus der Schüssel und versuche erneut, es zu öffnen.

Oh wow, das ging jetzt einfach! Wie konnte das passieren?! Das Glas und der Deckel bestehen – wie alle Stoffe – aus Teilchen, die sich bewegen. Ihre Bewegung ist abhängig von der Temperatur. Erhitzt man Stoffe oder Gegenstände, bewegen sich die Teilchen im Inneren immer schneller und entfernen sich voneinander.

Deshalb dehnt sich der Stoff aus. Diese Eigenschaft von Stoffen, sich bei Wärmezufuhr auszudehnen, nennt man Wärmeausdehnung. Und anders herum: Kühlt ein Stoff ab, passiert das Gegenteil. Die Teilchen im Stoff bewegen sich nun langsamer und rücken näher aneinander. Das Volumen des Stoffes wird kleiner.

Der Stoff schrumpft. Man nennt das Wärmeschrumpfung. Wie stark ein Stoff sich ausdehnt oder schrumpft, hängt vom Temperaturwechsel, der Stoffmenge und den Stoffeigenschaften ab. Stoffe dehnen sich unterschiedlich schnell aus. Bei diesem Glas ist es so: Wenn das heiße Wasser den Metalldeckel erwärmt, ändert sich das Volumen des Deckels und sein Durchmesser wird größer.

Das Glas hingegen dehnt sich nicht so stark aus. Der Unterschied der Durchmesser reicht aber aus, um den Deckel aufzudrehen. Wie schnell dehnen sich verschiedene Stoffe aus? Was sind Ausdehnungsfaktoren? Dieses Wissen ist sehr wichtig beim Bau von Gebäuden, Brücken oder anderen großen Bauwerken.

Oft baut man diese aus Beton, der mit Stahlstreben verstärkt ist. Die Stahlstreben müssen sich etwa gleich schnell ausdehnen und schrumpfen wie der Beton. Sonst kann der Beton allmählich einreißen und bröckeln. Bahngleise müssen oft starke Temperatur- wechsel aushalten. Schweißt man die Schienen ohne Zwischen- räume zusammen, haben sie keinen Platz sich auszudehnen, wenn die Temperatur steigt.

Evtl. verbiegen und verformen sich die Schienen, und das kann dazu führen, dass ein Zug entgleist! Damit die Schienen sich nicht verbiegen, verwendet man z. B. kürzere Schienenstücke und lässt zwischen ihnen eine kleine Lücke.

Wieso? Weil die Ausdehnung des Stoffes von der Stoffmenge abhängt. Kürzere Schienenstücke dehnen sich weniger aus als längere. Wegen der Lücken zwischen den Schienen können sich die Schienen ausdehnen, ohne sich dabei zu verformen. Man nutzt die Wärmeausdehnung oft zum Messen von Temperaturen – am häufigsten in traditionellen Flüssigkeitsthermometern.

Diese haben ein Steigrohr, in dem eine Flüssigkeit wie etwa Alkohol ist. Die Skala auf dem Thermometer zeigt, wie stark sich die Flüssigkeit im Steigrohr bei Temperaturwechseln ausdehnt. Eine andere Art von Thermometer nutzt einen besonderen Streifen aus zwei verschiedenen Metallen, die an ihrer Längsseite miteinander verbunden sind: einen Bimetallstreifen. Die beiden Metalle dehnen sich aus und schrumpfen unterschiedlich schnell, wenn sie erhitzt oder abgekühlt werden. Darum biegt sich der Bimetallstreifen.

Solche Streifen nutzt man oft in Geräten, die die Temperatur steuern: Thermostate. Auch bei Gasen gibt es Wärmeausdehnung! Ein Beispiel dafür sind Reifen von Autos und Fahrrädern. Auf Reifen stehen oft Empfehlungen vom Hersteller, wie viel Luft und Druck die Reifen aushalten können. Warum?

Na ja, sind ein Auto oder ein Fahrrad schnell unterwegs, wird die Luft im Reifen wärmer und dehnt sich aus. Ist der Luftdruck im Reifen zu hoch, kann er platzen! Die meisten Stoffe im Alltag müssen Temperaturwechsel aushalten. Sie dehnen sich also ständig aus und schrumpfen. Dank des Wissens über Wärmeausdehnung können Designer, Ingenieure und Hersteller bessere Lösungen und Produkte schaffen.

Und das kann für dich sehr nützlich sein, wenn sich das nächste Mal ein Glas nicht öffnen lässt!