Wenn Sie elektrische Kabel genauer betrachten, werden Sie feststellen, dass sie aufgrund von Spiel nach unten gebogen sind. Warum werden elektrische Kabel absichtlich gelockert, anstatt einfach nur gespannt zu werden? Die meisten Dächer in Flores und Lembata, Ost-Nusa Tenggara, sind aus Zink (Zn) gedeckt. Zinkdächer machen tagsüber und nachts Geräusche. Warum macht Zink Geräusche? Wenn Sie auf der Insel Java leben, haben Sie vielleicht schon einmal Eisenbahnschienen gesehen. An den Schienenstößen befinden sich Lücken. Welche Funktion haben diese Lücken? Es gibt viele Aspekte, über die man im Zusammenhang mit dem Thema Ausdehnung nachdenken und Fragen stellen kann.
Längenausdehnung
Die meisten Feststoffe dehnen sich bei Temperaturänderungen in ihre Länge aus. Das bedeutet, dass sie sich verlängern oder verkürzen. Typischerweise verlängert sich ein Objekt mit steigender Temperatur und verkürzt sich mit sinkender Temperatur. Man könnte meinen, dass Längenausdehnung nur bei dünnen Drähten auftritt. Stellen Sie sich beispielsweise ein Auto vor, das am Straßenrand in der Sonne steht. Überhitzt sich das Auto, kann die Karosserie dicker werden oder sich verlängern. Auch ein Zinkdach dehnt sich in die Länge aus. Überhitzt sich das Zink, dehnen sich die Kanten aus und das Zink wird dicker. Dasselbe gilt für Eisenbahnschienen und Brücken aus Eisen oder Stahl.
Die meisten Feststoffe dehnen sich bei Temperaturänderungen aus oder ziehen sich zusammen. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie sich Temperaturänderungen auf die Ausdehnung von Feststoffen auswirken. Dies ist sehr hilfreich bei der Konstruktion von Geräten, Gebäuden, Fahrzeugen usw. Nehmen wir zum Beispiel die Fugen in Eisenbahnschienen. Eisenbahnschienen bestehen aus Stahl. Ingenieure haben die Breite der Fugen zwischen den einzelnen Schienen berechnet. An einem heißen Tag dehnen sich die Schienen um einige Zentimeter aus. Wenn ein Zug darüberfährt, steigt auch die Temperatur der Schienen, wodurch sie sich um wie viele Zentimeter ausdehnen? In einer kalten Nacht ziehen sich die Schienen um wie viele Zentimeter zusammen? Basierend auf dieser Analyse schätzen die Ingenieure den Abstand zwischen den Schienenfugen so ein, dass sich die Schienen bei steigender Temperatur nicht berühren und verbiegen.
Um die Formel herzuleiten, die den Zusammenhang zwischen Temperaturänderung und Längenausdehnung beschreibt, betrachten wir einen sich ausdehnenden Festkörper, wie in der Abbildung rechts dargestellt. Bildunterschrift: To = Anfangstemperatur, T = Endtemperatur, Lo = Anfangslänge, L = Länge nach der Ausdehnung, ΔL = Längenänderung, ΔT = Temperaturänderung.
Wenn die Temperatur des Objekts T<sub> o</sub> beträgt (das Objekt ist also noch kalt), entspricht seine Länge L<sub> o</sub> . Steigt die Temperatur des Objekts auf T, entspricht seine Länge L. Beobachtungen und Experimente zeigen, dass die Längenänderung proportional zur Temperaturänderung ist. Steigt die Temperatur, nimmt das Objekt zu. Sinkt die Temperatur, nimmt das Objekt ab. Die Längenänderung ist außerdem proportional zur Ausgangslänge (L<sub>o</sub> ) . Bei gleicher Temperaturänderung verdoppelt sich beispielsweise die Länge eines 10 Meter langen Objekts im Vergleich zu einem 5 Meter langen Objekt. Je länger das Objekt also ist, desto größer ist seine Ausdehnung.
Die Längenänderung eines Objekts (delta L) ist proportional zur Temperaturänderung (delta T):
Die Längenänderung des Objekts (delta L) ist proportional zur Anfangslänge des Objekts (L).o):
Die Längenänderung jedes Objekts ist unterschiedlich. Auch wenn sie groß ist Temperaturänderungen Die Längenausdehnung von Eisen unterscheidet sich von der von Glas. Gleiches gilt für andere Materialien. Daher hängt die Längenausdehnung vom jeweiligen Längenausdehnungskoeffizienten ab. Dieser wird experimentell ermittelt. Je größer der Längenausdehnungskoeffizient, desto größer die Längenzunahme. Je kleiner der Längenausdehnungskoeffizient, desto geringer die Längenzunahme. Die Längenänderung eines Objekts ist also proportional zu seinem Längenausdehnungskoeffizienten.
Die drei obigen Vergleiche werden in einer Gleichung ausgedrückt:
Die Gesamtlänge eines Objekts nach Ausdehnung oder Zusammenziehung lässt sich durch Addition der Anfangslänge des Objekts (L) ermitteln.o) und Änderungen der Objektlänge (delta L).
Wenn sich die Temperatur ändert (TT)oWenn ) negativ ist, dann ist die Längenänderung (LL)o) ist ebenfalls negativ. In diesem Fall verringert sich die Länge des Objekts. Umgekehrt, wenn sich die Temperatur ändert (TT)oWenn ) positiv ist, dann ist die Längenänderung (LL)o) ist ebenfalls positiv. In diesem Fall verlängert sich das Objekt.
Im Folgenden wird der lineare Ausdehnungskoeffizient von Festkörpern bei einer Temperatur von 20 ° C angegeben. Flüssigkeiten und Gase verändern ihre Form, wodurch sie keine lineare Ausdehnung erfahren. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Festkörpern ist temperaturabhängig. Bei unterschiedlichen Temperaturen variiert er. Ist der Temperaturunterschied gering, ist auch der Unterschied im linearen Ausdehnungskoeffizienten gering und kann vernachlässigt werden.
Volumenausdehnung
Die Längenausdehnung betrifft nur feste Körper, die Volumenausdehnung hingegen alle Körper, ob fest, flüssig oder gasförmig. Die Gleichung für die Volumenausdehnung ist der Gleichung für die Längenausdehnung ähnlich.
Die obige Gleichung zur Volumenausdehnung ist nur gültig, wenn die Volumenänderung eines Objekts (ob fest, flüssig oder gasförmig) kleiner ist als sein Ausgangsvolumen. Ist die Volumenänderung größer, liefert die Gleichung keine genauen Ergebnisse. Feste Objekte verändern ihr Volumen üblicherweise nicht sehr stark. Flüssigkeiten und Gase hingegen weisen einen sehr hohen Volumenkoeffizienten auf. Dieser ändert sich zudem stark mit der Temperatur. Daher wird die obige Formel nur für die Ausdehnung fester Objekte verwendet. Die Formel zur Berechnung der Volumenänderung von Gasen wird im Rahmen der kinetischen Gastheorie in der 11. Klasse behandelt.
