Physik · Klasse 6–7 · aktualisiert
Ausdehnung bei Erwärmung einfach erklärt
Warum werden Stoffe beim Erwärmen größer? Verstehe das Teilchenbild und berechne eine Längenänderung Schritt für Schritt.
0 von 10 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Die meisten Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus, weil sich die mittleren Teilchenabstände vergrößern. Wie stark ein Stab länger wird, hängt vom Stoff, seiner Ausgangslänge und der Temperaturänderung ab. Beim Abkühlen verkürzt er sich gewöhnlich.
Die meisten Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Wie stark sich Länge oder Volumen ändern, hängt vom Stoff, von der Ausgangsgröße und von der Temperaturänderung ab.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
3 Abschnitte
In einem Festkörper schwingen die Teilchen um feste Ruhelagen. Beim Erwärmen werden diese Schwingungen stärker. Dadurch wachsen im Mittel die Abstände, und der Körper wird größer.
Die Teilchen selbst werden nicht größer. Es entstehen auch keine neuen Teilchen oder Außenschichten. Die Abstände verändern sich.
Definition
Wärmeausdehnung
Wärmeausdehnung ist die Vergrößerung der Länge oder des Volumens eines Stoffes infolge einer Temperaturerhöhung. Beim Abkühlen tritt gewöhnlich die umgekehrte Änderung auf: Der Stoff zieht sich zusammen. Das heißt Kontraktion.
Beispiel
- 1Eine erwärmte Eisenkugel passt nicht mehr durch einen Ring, durch den sie vorher hindurchpasste.
- 2Die Kugel muss dafür weder schmelzen noch hohl werden.
- 3Ihre Teilchen schwingen stärker, ihre mittleren Abstände wachsen und damit vergrößert sich die Kugel in alle Raumrichtungen.
- 4Auch wenn das Metall nicht heiß aussieht, kann es die Haut verbrennen.
Merke: Beim Erwärmen wachsen im Teilchenmodell die mittleren Abstände zwischen den Teilchen – nicht die Teilchen selbst.
Teste dich
Die meisten Festkörper, Flüssigkeiten und Gase dehnen sich beim Erwärmen aus. Typischerweise dehnen sich Gase bei konstantem Druck stärker aus als Flüssigkeiten und diese stärker als Festkörper. Für einen genauen Vergleich müssen Stoffmenge, Druck und Temperaturänderung passend berücksichtigt werden.
Bei gleicher Stoffmenge führt größeres Volumen zu kleinerer Dichte. Dieselbe Masse verteilt sich auf mehr Raum.
Reines Wasser ist nahe dem Gefrierpunkt ein Sonderfall. Bei ungefähr 4\,^\circ\mathrm{C} hat es seine größte Dichte. Kühlt es weiter ab, dehnt es sich wieder aus. Eis ist weniger dicht als flüssiges Wasser und schwimmt.
| Stoffzustand | Verhalten beim Erwärmen | Besonderheit |
|---|---|---|
| Festkörper | meist geringe Ausdehnung | Länge, Fläche und Volumen können sich ändern |
| Flüssigkeit | stärkere Volumenausdehnung | die Stärke hängt von der Flüssigkeit ab |
| Gas | besonders starke Volumenausdehnung | der Vergleich gilt bei konstantem Druck |
Teste dich
Eine Brücke oder Schiene wird beim Erwärmen meist länger. Wie stark, hängt vom Metall, der Anfangslänge und der Temperaturänderung ab. Für eine einfache Rechnung brauchst du eine Angabe: Um wie viele Millimeter ändert sich die Länge bei einem Grad Temperaturänderung?
Zuerst bestimmst du, um wie viele Grad sich die Temperatur ändert. Danach nimmst du die Längenänderung pro Grad so oft, wie die Temperatur um einen Grad gestiegen oder gefallen ist. Erwärmen macht den Stab länger; Abkühlen macht ihn gewöhnlich kürzer. Das ist eine Näherung: Die Änderung pro Grad muss im betrachteten Bereich ungefähr gleich bleiben.
Dehnungsfugen geben einer Brücke Spielraum. Eine festsitzende Metallmutter kann sich beim Erwärmen ausdehnen. Wegen der Verbrennungsgefahr gehört das in fachkundige Hände. Beim Gefrieren von Wasser kommt ein Zustandswechsel hinzu: Ein ganz gefülltes, verschlossenes Gefäß kann platzen.
Bei Wärmeausdehnung bleibt der Stoff in seinem Zustand. Beim Schmelzen oder Verdampfen ändert er diesen Zustand. Aufsteigen transportiert Stoff an einen anderen Ort; es erklärt allein keine Ausdehnung.
Beispiel: Beispiel: Stahl bei Wärme und Kälte
- 1Ein 200 m langes Stahlfundament hat bei 20 °C seine Ausgangslänge. Für Stahl nehmen wir hier an: Bei dieser Länge ändert es sich um 2,4 mm je Grad.
- 2Bei 40 °C ist es 20 Grad wärmer. Die 20 Schritte zu je 2,4 mm ergeben 48 mm, also 4,8 cm Verlängerung.
- 3Bei −30 °C ist es 50 Grad kälter als am Anfang. Die 50 Schritte zu je 2,4 mm ergeben 120 mm, also 12 cm Verkürzung.
- 4Der Vergleich gilt jeweils zur Ausgangslänge bei 20 °C. Die Angaben sind Näherungen.
Merke: Mehr Anfangslänge oder mehr Temperaturänderung bedeuten bei gleichem Stoff gewöhnlich mehr Längenänderung. Abkühlen kehrt die Richtung um.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Ausdehnung bei Erwärmung
Ursache
stärkere Teilchenschwingung und größere mittlere Abstände
Festkörper
Länge und Volumen ändern sich meist wenig
Flüssigkeiten
meist stärkere Volumenänderung als Festkörper
Gase
besonders starke Ausdehnung bei konstantem Druck
Berechnung
Ausdehnung pro Grad und Zahl der Temperaturgrade
Technik
Dehnungsfugen schaffen Bewegungsspielraum
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Eine Stahlschiene erwärmt sich
- 1Eine 25 m lange Stahlschiene erwärmt sich von 10 °C auf 30 °C. Bei dieser Länge wächst sie näherungsweise um 0,3 mm je Grad Erwärmung.
- 2Die Temperatur steigt um 20 °C.
- 3In 20 Schritten zu je 0,3 mm wächst die Schiene um 6 mm.
- 4Die Schiene wird um 6 mm länger; eine Fuge kann dafür Platz geben.
Fehler finden
Ein anderer Metallstab kühlt ab In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 4Die letzte Zeile muss „Der Stab ist danach um 9,6 mm kürzer“ heißen. Beim Abkühlen zieht Stahl sich gewöhnlich zusammen.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Beim Erwärmen wachsen im Modell die meist. Bei gleicher Masse und größerem Volumen sinkt die . Beim Abkühlen wird ein Stahlstab gewöhnlich .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback