Was ist Thermoelastizität?
Thermoelastizität ist die Änderung der Größe und Form eines festen Objekts, wenn die Temperatur dieses Objekts schwankt. Materialien, die elastischer sind, dehnen sich stärker aus und ziehen sich zusammen als Materialien, die unelastischer sind. Wissenschaftler nutzen ihr Verständnis von Thermoelastizität, um Materialien und Objekte zu entwerfen, die Temperaturschwankungen standhalten können, ohne zu brechen.
Wissenschaftler haben die Gleichungen, die die Thermoelastizität beschreiben, seit über 100 Jahren verstanden, haben jedoch erst kürzlich mit Stresstest-Materialien begonnen, um festzustellen, wie thermoelastisch sie sind. Indem die Materialien steigenden und fallenden Temperaturen ausgesetzt werden, können die Ingenieure vorhersagen, wie stark sich diese Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen ausdehnen oder zusammenziehen. Dieses Wissen ist wichtig, wenn Maschinen oder tragende Strukturen mit Teilen gebaut werden, die eng zusammenpassen müssen. Das Verständnis der Prinzipien der Thermoelastizität hilft Ingenieuren beim Entwerfen von Dingen, die ihre strukturelle Integrität für einen Temperaturbereich aufrechterhalten.
Die Prinzipien der Thermoelastizität haben sich auf die Art und Weise ausgewirkt, wie Ingenieure eine Reihe verschiedener Objekte entwerfen. Zu wissen, dass sich Beton beispielsweise beim Erhitzen ausdehnt, ist der Grund dafür, dass Gehsteige mit kleinen Abständen zwischen den Platten ausgelegt sind. Ohne diese Zwischenräume hätte der Beton keinen Raum, um sich auszudehnen, was das Material stark belastet und zu Rissen, Brüchen oder Löchern führt. Ebenso sind Brücken mit Dehnungsfugen ausgeführt, damit sich die Bauteile bei Erwärmung ausdehnen können.
Alle elastischen Materialien dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Die Expansion, die durch Thermoelastizitätsformeln beschrieben wird, wird durch eine Zunahme der Bewegung der Atome im Material verursacht. Diese Atome bleiben miteinander verbunden, während sich ein Feststoff erwärmt, aber die Molekülbindungen nehmen an Größe zu, wodurch sich die Atome voneinander entfernen und das Material wachsen kann. Umgekehrt bewegen sich die Atome weniger, wenn ein Material abgekühlt wird, und die Bindungen ziehen sie enger aneinander.
Die Prinzipien der Thermoelastizität schreiben vor, dass die durch einen Temperaturanstieg verursachte Ausdehnung dazu führt, dass sich ein Objekt in alle Richtungen ausdehnt. Betonplatten dehnen sich aufeinander zu, vom Boden weg und zum Boden hin, wenn sie erhitzt werden. Becher oder andere Gefäße dehnen sich ebenfalls in alle Richtungen aus, so dass das Gesamtvolumen, das sie enthalten können, mit der Größe des Gefäßes zunimmt. Bei der Untersuchung der Thermoelastizität werden spezielle Formeln verwendet, um zu beschreiben, wie sich die Form von Objekten bei Temperaturänderungen ändert.