Thermische Ausdehnung von Stoffen: Einfach erklärt

Hast du schon einmal an einem extrem heißen Sommertag in den Nachrichten gehört, dass Züge langsamer fahren müssen, weil sich die Schienen verbogen haben? Die thermische Ausdehnung von Stoffen ist der Grund dafür.

Wie kann bloßes Sonnenlicht massiven Stahl verbiegen? Das Geheimnis liegt in einer unsichtbaren Eigenschaft fast aller Materialien auf unserer Erde. In dieser Lektion wirst du herausfinden, warum Dinge im Sommer wachsen, im Winter schrumpfen und wie Ingenieure verhindern, dass unsere Brücken an heißen Tagen einfach zerbrechen!

Vorwissen

• Temperaturmessung: Wir können mit einem Thermometer genau messen, wie warm oder kalt etwas ist (in Grad Celsius).

  Beispiel: Wasser kocht bei $100 \text{ °C}$ und gefriert bei $0 \text{ °C}$.

Aufgabentyp 1: Festkörper verändern ihre Größe

Für uns sehen feste Gegenstände wie Steine, Metallstangen oder Holzbretter immer gleich groß aus. Doch das täuscht! Es gibt eine wichtige Grundregel in der Physik, wenn es um die thermische Ausdehnung von Stoffen geht:

• Wenn ein Festkörper erwärmt wird, dehnt er sich aus (er wird größer oder länger).

• Wenn ein Festkörper abkühlt, zieht er sich zusammen (er wird kleiner oder kürzer).

Je heißer ein Gegenstand wird, desto stärker dehnt er sich aus. Allerdings verhalten sich nicht alle Materialien gleich. Wenn du ein Stück Eisen und ein Stück Messing (ein anderes Metall) genau gleich stark erwärmst, wird das Messing ein kleines bisschen länger als das Eisen.

Der Bimetallstreifen Dieses Wissen nutzen wir in der Technik, zum Beispiel bei einem Bimetallstreifen („Bi“ bedeutet zwei). Das ist ein Blechstreifen, der aus zwei verschiedenen Metallen besteht, die fest aneinandergeklebt sind (zum Beispiel Eisen und Messing).

Wenn dieser Streifen erwärmt wird, wollen sich beide Metalle ausdehnen. Weil sich das Messing aber stärker ausdehnt als das Eisen und sie fest verbunden sind, hat der Streifen nur eine Möglichkeit: Er muss sich verbiegen! Solche Bimetallstreifen werden oft als automatische Schalter in Geräten wie Bügeleisen oder Toastern benutzt, um sie bei einer bestimmten Temperatur abzuschalten.

Aufgabentyp 2: Experiment - Der verbogene Streifen

Zweck: Wir wollen sehen, wie sich ein Bimetallstreifen bei Hitze verhält.

Materialien: Ein Bimetallstreifen, eine Kerze, Streichhölzer, eine Zange.

⚠️ Sicherheitshinweis: Feuer und heißes Metall! Führe dieses Experiment nur mit einem Erwachsenen durch. Fasse das Metall nach dem Erhitzen nicht mit bloßen Händen an, da es schwere Verbrennungen verursachen kann. Binde lange Haare zusammen.

Durchführung:

1. Zünde die Kerze an.
2. Halte den Bimetallstreifen an einem Ende fest mit der Zange.
3. Halte das andere Ende des Streifens vorsichtig in die Nähe der Kerzenflamme.
4. Nimm den Streifen nach kurzer Zeit aus der Flamme und puste die Kerze aus. Lass den Streifen in der Zange abkühlen.

Beobachtung: Sobald der Streifen über der Flamme ist, verbiegt er sich fast sofort in eine Richtung. Wenn er danach an der Luft abkühlt, wird er langsam wieder ganz gerade.

Erklärung: Die Wärme der Kerze lässt beide Metalle im Streifen wachsen. Da sich eines stärker ausdehnt als das andere, krümmt sich der Streifen. Beim Abkühlen schrumpfen beide wieder auf ihre ursprüngliche Größe zurück.

Aufgabentyp 3: Unsichtbare Riesenkräfte und wie wir sie bändigen

Die Längenänderung von Festkörpern ist meistens sehr klein. Eine $100 \text{ m}$ lange Eisenbahnschiene wird an einem heißen Sommertag vielleicht nur um wenige Zentimeter länger. Das klingt nach wenig, aber die Kräfte, die dabei entstehen, sind gewaltig!

Wenn sich ein massiver Festkörper ausdehnen will, lässt er sich durch fast nichts aufhalten. Wenn die Eisenbahnschiene keinen Platz hat, um länger zu werden, drückt sie so stark gegen die nächste Schiene, dass sich der dicke Stahl einfach verbiegt (wie du ganz am Anfang gesehen hast).

Um solche Zerstörungen zu verhindern, nutzen Ingenieure schlaue Tricks:

• Dehnungsfugen bei Brücken und Schienen: Brücken aus Stahl und Beton werden im Sommer länger. Deshalb baut man sie nicht an einem Stück. Man lässt kleine Lücken (Fugen) zwischen den Bauteilen. Wenn es heiß wird, schiebt sich die Brücke in diese Lücke, ohne etwas kaputt zu machen.

• Dehnungsbögen in Rohren: Lange Rohre, durch die heißes Wasser fließt (Fernwärme), dehnen sich stark aus. Damit sie nicht platzen, baut man sie nicht schnurgerade, sondern baut ab und zu eine große U-Kurve (einen Bogen) ein. Dieser Bogen kann sich wie eine Feder zusammenbiegen, wenn das Rohr länger wird.

• Gummidichtungen bei Fenstern: Das Glas in einem Fenster dehnt sich anders aus als der Rahmen. Eine weiche Gummidichtung dazwischen fängt diese Bewegung ab, damit das Glas nicht springt.

Wenn du das nächste Mal über eine große Brücke fährst und es ein regelmäßiges „Klack-Klack“-Geräusch gibt, weißt du jetzt: Das sind die Reifen, die über die Dehnungsfugen rollen!

Wichtige Erkenntnisse

• Festkörper dehnen sich aus, wenn sie erwärmt werden, und ziehen sich zusammen, wenn sie abkühlen.

• Verschiedene Materialien dehnen sich bei gleicher Hitze unterschiedlich stark aus.

• Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei verschiedenen Metallen und verbiegt sich bei Temperaturänderungen.

• Die thermische Ausdehnung erzeugt gewaltige Kräfte. Um Schäden zu vermeiden, nutzt man in der Technik Dehnungsfugen (z. B. bei Brücken und Schienen) oder Dehnungsbögen (bei Rohren).