Wärmeausdehnungskoeffizient
Koeffizient der thermischen Ausdehnung
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) beschreibt das Ausmaß, in dem sich die Größe eines Materials mit der Temperatur ändert. Er wird normalerweise in Einheiten pro Grad Celsius (°C-¹) oder pro Kelvin (K-¹) ausgedrückt. Während die genaue mathematische Darstellung des WAK Formeln beinhaltet, dreht sich das Konzept um die linearen, flächenmäßigen oder volumetrischen Änderungen, die ein Material bei Temperaturschwankungen erfährt.
Faktoren, die die Wärmeausdehnung beeinflussen
Mehrere Faktoren beeinflussen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Materialien:
Materialzusammensetzung
Verschiedene Materialien haben von Natur aus unterschiedliche WAKs. Metalle,Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe reagieren auf der Grundlage ihrer atomaren und molekularen Strukturen auf einzigartige Weise auf Temperaturänderungen.
Temperaturbereich
Der WAK kann mit der Temperatur variieren. Einige Materialien weisen in bestimmten Temperaturbereichen eine lineare Ausdehnung auf, während andere bei höheren oder niedrigeren Temperaturen ein nichtlineares Verhalten zeigen können.
Strukturelle Anisotropie
Anisotrope Materialien, die richtungsabhängige Eigenschaften haben, können sich entlang verschiedener Achsen unterschiedlich ausdehnen. Dies ist besonders wichtig bei Materialien wie Holz oder bestimmten Kristallen.
Äußere Spannungen
Vorhandene Spannungen in einem Material können beeinflussen, wie es sich bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht. Eigenspannungen aus Fertigungsprozessen können den effektiven WAK verändern.
Umwelteinflüsse
Unterschiedliche Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit oder chemische Einflüsse können die Wärmeausdehnungseigenschaften von Materialien im Laufe der Zeit beeinflussen.
Wärmeausdehnung gängiger Materialien
Die folgende Tabelle enthält Beispiele für verschiedene Materialien und ihre jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten:
|
Werkstoff |
Wärmeausdehnungskoeffizient (°C-¹) |
|
23 ×10-⁶ |
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Stahl |
12 ×10-⁶ |
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Glas |
9 ×10-⁶ |
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Beton |
10 ×10-⁶ |
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Kupfer |
16.5 ×10-⁶ |
|
Messing |
19 ×10-⁶ |
|
8.6 ×10-⁶ |
|
|
Polyethylen |
100 ×10-⁶ |
|
Kohlefaser |
0.5 ×10-⁶ |
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Invar (Legierung) |
1.2 ×10-⁶ |
Wärmeausdehnung gängiger Metalle
|
Metall |
WAK (10-⁶/°C) |
|
Aluminium |
23.1 |
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Messing |
19-21 |
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Bronze (Phosphor) |
17.6 |
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Kupfer |
16.5 |
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Gold |
14.2 |
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Eisen |
11.8 |
|
Blei |
28.9 |
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Magnesium |
25.2 |
|
Nickel |
13.3 |
|
8.8 |
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Silber |
19.5 |
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Rostfreier Stahl (304) |
16.0 |
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Rostfreier Stahl (316) |
15.9 |
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Stahl (Kohlenstoff) |
11.7-13.0 |
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Zinn |
22.0 |
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Titan |
8.6-9.4 |
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4.5 |
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Zink |
30.2 |
|
Zirkonium |
5.7 |
Häufig gestellte Fragen
Welche Bedeutung hat der Wärmeausdehnungskoeffizient in der Technik?
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist in der Technik von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion von Strukturen und Bauteilen, die Temperaturschwankungen ohne übermäßige Belastung oder Verformung standhalten können. Er gewährleistet die Integrität und Langlebigkeit von Materialien, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.
Wie wirkt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient auf Alltagsgegenstände aus?
Alltägliche Gegenstände wie Brücken, Eisenbahnen und Gebäude dehnen sich bei Temperaturschwankungen aus und ziehen sich zusammen. Die Kenntnis ihres WAK hilft bei der Konstruktion von Dehnungsfugen und anderen Merkmalen, die diese Bewegungen ausgleichen und strukturelle Schäden verhindern.
Kann der Wärmeausdehnungskoeffizient negativ sein?
Ja, einige Materialien weisen eine negative Wärmeausdehnung auf, d. h. sie ziehen sich bei Erwärmung zusammen. Diese Materialien sind relativ selten und sind für spezielle Anwendungen interessant, bei denen eine kontrollierte Kontraktion erwünscht ist.
Wie wird der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen?
Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird in der Regel mit Techniken wie der Dilatometrie gemessen, bei der die Längen- oder Volumenänderung eines Materials überwacht wird, während es unter kontrollierten Bedingungen erwärmt oder abgekühlt wird.
Hängt der Wärmeausdehnungskoeffizient von der Materialreinheit ab?
Ja, Verunreinigungen und Legierungselemente können den WAK eines Materials erheblich beeinflussen. Reine Materialien haben oft andere Ausdehnungseigenschaften als ihre legierten Gegenstücke.
