Was ist Wärmeausdehnung?
Infolge von Temperaturänderungen ändert sich das Volumen der Materie. Dieses Konzept wird als Wärmeausdehnung bezeichnet. Während sich eine Substanz erwärmt, bewegen sich die Partikel in der Materie und werden mit steigender Temperatur aktiver. Diese Aktivität bewirkt, dass die Partikel zusätzlichen Abstand voneinander benötigen, wodurch die Größe eines Materials vergrößert wird. Die Gleichung zur Beschreibung dieses Konzepts ist als Wärmeausdehnungskoeffizient bekannt und kann durch die Tatsache definiert werden, dass der Ausdehnungsgrad durch die Temperaturänderung in einem Material dividiert wird.
Die Verwendung bestimmter fester Materialien im Bauwesen ist eine direkte Folge dieser Wärmeausdehnung. Die Notwendigkeit, dass Objekte ihre Form ohne größere Verzerrungen beibehalten, führt zu der üblichen Praxis, Metalle und Kunststoffe zu verwenden. Zum Beispiel muss ein Hammer seine Form behalten, wenn die Temperaturen ansteigen, um eine Beeinträchtigung zu verhindern. Während dieses Prinzip im Allgemeinen auf der Grundlage der Art des verwendeten Materials zutrifft, können bestimmte Strukturen, wie z. B. Kristalle, je nach Form unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Ebenso führen beim Konzept der negativen Wärmeausdehnung Bedingungen wie extreme Kälte dazu, dass sich Materialien aus genau entgegengesetzten Gründen zusammenziehen wie bei der regulären Wärmeausdehnung. Häufig werden in Verbindung mit diesen Festkörpern andere Materialien mit unterschiedlichen Koeffizienten benötigt. Ein Beispiel wäre ein Fenster, das Gummibeschläge benötigt, um das Ausdehnen und Zusammenziehen des Metallrahmens zu verhindern.
Je härter das Material ist, desto geringer ist die Wärmeausdehnung. Flüssigkeiten dehnen sich leichter aus als Feststoffe. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mit zunehmender Energiebindung zwischen den Partikeln die Wärmeausdehnung dieser Substanzen abnimmt. Darüber hinaus ändern bestimmte Materialien ihre Größe aufgrund der Absorption oder Desorption von Wasser oder Lösungsmitteln.
Eine als anisotrope Ausdehnung bekannte Art der Ausdehnung kann bei bestimmten Arten von Materialien auftreten. Dies bedeutet, dass sich der Feststoff nicht in jeder Richtung genau gleich ausdehnt. Jedes Material mit einer Anzahl von Schichten, wie Graphit, dehnt sich normalerweise eher senkrecht mit den Schichten als senkrecht gegen die Schichten aus. Dies kann für Konstrukteure von Vorteil sein, wenn sie versuchen, eine Armatur herzustellen, die sich bei Temperaturänderungen nur in eine Richtung ausdehnen muss.