Wärmeausdehnung
So gehst du vor
- 1Wähle am Messplatz fest, flüssig oder gasförmig und einen Stoff.
- 2Stelle die Temperatur ein und lies die Anzeige ab. Tippe „Messwert in die Tabelle“.
- 3Nimm mindestens fünf Werte zwischen 0 °C und 100 °C auf. Erst dann die Auswertung zeigen.
- 4Beim Gas: Verlängere im Kopf die Gerade nach links. Bei welcher Temperatur wäre das Volumen null?
- 5Probiere unten Bimetall und Brücke aus und vergleiche Celsius und Kelvin.
Zustand
Stab
Temperatur ϑ
20 °CDie Messuhr steht bei 20 °C auf null. Eine Umdrehung des Zeigers sind 2 mm.
Längenänderung über der Temperatur
Der Stab ist 1 m lang. Der Längenausdehnungskoeffizient α sagt, um welchen Bruchteil seiner Länge ein Körper je Kelvin länger wird: Δl = α · l0 · Δϑ.
| Nr. | ϑ in °C | Δl in mm |
|---|
Stoffliste, α in 10−6 K−1: Aluminium 23,0, Messing 18,5, Kupfer 16,5, Stahl 12,0, Glas 9,0.
Bimetall: zwei Metalle, ein Streifen
Temperatur ϑ
20 °CMessing dehnt sich stärker aus als Stahl. Weil beide fest verbunden sind, krümmt sich der Streifen zum Stahl hin, bei Kälte zur anderen Seite. Modell: je 0,25 mm dick, 60 mm lang, zwischen Spitze und Kontakt 1,5 mm.
Brücke: Wozu die Fuge?
Temperatur ϑ
10 °CBrückenlänge l
100 mStahl, α = 12 · 10−6 K−1. Bei 10 °C ist die Fuge 60 mm breit. Im Bild ist sie stark vergrößert. Darum haben lange Brücken bewegliche Fahrbahnübergänge.
Celsius und Kelvin
Temperatur ϑ
20 °CEin Kelvin ist genauso groß wie ein Grad Celsius, die Skala beginnt nur am absoluten Nullpunkt: T in K = ϑ in °C + 273,15. Kälter als 0 K kann nichts werden, denn dort hätte die ungeordnete Bewegung der Teilchen ihr Minimum erreicht.
Aufträge
- Bestimme α für Aluminium und Stahl. Um wie viel Millimeter wird ein 1 m langer Stab beim Erwärmen um 50 K jeweils länger?
- Bestimme aus der Steigung den Ausdehnungskoeffizienten von Stab X und finde das Material in der Stoffliste. Löse erst danach auf.
- Vergleiche die Ausdehnung von 100 ml Ethanol, Wasser und Luft beim Erwärmen um 50 K. Erkläre den Unterschied mit dem Teilchenmodell.
- Bestimme mit der Geraden den absoluten Nullpunkt. Wie weit liegst du vom Wert −273,15 °C entfernt? Warum wird der Fehler beim Verlängern größer?
- Stelle die Brücke auf 300 m Länge. Bei welcher Temperatur schließt sich die Fuge? Wie breit müsste sie bei 10 °C sein, damit sie erst bei 40 °C zugeht?
- Warum krümmt sich das Bimetall nach oben, wenn das Messing unten liegt? Was geschieht bei −20 °C?
Kapitel „Temperatur“. Siehe auch die Seiten „Teilchenmodell und Brownsche Bewegung“ und „Zustandsänderungen von Gasen“.