Bei einer bestimmten Temperatur nimmt ein fester Körper ein bestimmtes
Volumen ein. Unter der Bedingung, dass sich ein fester Körper ausdehnen
kann, gilt:
Wenn sich die Temperatur des Körpers
ändert, so ändert sich im Allgemeinen auch sein Volumen.
Diese Volumenänderung ist abhängig
- vom Ausgangsvolumen,
- von der Temperaturänderung,
- vom Stoff, aus dem der Körper besteht.
Bei Erhöhung der Temperatur dehnen sich feste Körper aus, bei
Verringerung der Temperatur ziehen sie sich zusammen.
Die Volumenverringerung bei Verringerung der Temperatur kann man z.B.
bei der Stahlproduktion beobachten: Der Stahl in den Kokillen kühlt
sich allmählich ab. Dabei verringert sich sein Volumen. Nach Abkühlung
können die Stahlblöcke aus den Kokillen herausgehoben und weiter
verarbeitet werden.
Berechnung der Volumenänderung
Unter der Bedingung, dass sich ein fester Körper frei ausdehnen kann,
gilt für die Volumenänderung:
Die Volumenausdehnungskoeffizienten sind für verschiedene Stoffe unterschiedlich. So beträgt z.B. der Volumenausdehnungskoeffizient für Aluminium 0,000072 1/K und für Stahl 0,000036 1/K. Das bedeutet: Bei einer bestimmten Temperaturänderung dehnt sich Aluminium doppelt so stark aus wie Stahl. In Bild 2 sind die Volumenausdehnungskoeffizienten für eine Reihe von festen Stoffen angegeben.
Bedeutung der Volumenänderung
von festen Körpern
Die Volumenänderung fester Körper bei Temperaturänderung
muss in vielen Bereichen der Technik beachtet werden.
So dehnen sich z.B. massive Metallkörper
wie Wellen oder Achsen bei Temperaturerhöhung aus. Diese Volumenänderung
muss bei der Konstruktion von Lagern beachtet werden. Auch große
Brücken, massive Teile von Kranen oder Staudämme müssen
so konstruiert und gebaut werden, dass Volumenänderungen die Funktionstüchtigkeit
nicht beeinflussen und auch zu keinen Schäden führen.
Die Unterschiede im Volumenausdehnungskoeffizienten sind auch bei Glageräten im Labor zu beachten. Jenaer Geräteglas, aus dem z.B. Bechergläser gemacht sind, hat einen Ausdehnungskoeffizienten von 48 * 10-7/ K, während hingegen der von Quarzglas (reines Siliciumdioxid)nur 5 * 10-7/ K beträgt. Ein heißes Becherglas aus Jenaer Glas platzt, wenn man es in kaltes Wasser taucht, da durch die Temperaturunterschiede innere Spannungen auftreten. Ein Gefäß aus Quarzglas kann man hingegen totglühend in kaltes Wasser tauchen, ohne dass es platzt. Kochgeschirr aus so genannten feuerfesten Glas hat einen Ausdehnungskoeffizienten, der etwas größer ist als der von Quarzglas