Längenänderung fester Körper
Entdecke, wie die Länge fester Körper wie dem Berliner Fernsehturm sich bei Erwärmung verändert. Wir erklären dir den physikalischen Prozess dahinter und zeigen auf, wie die Temperatur die Atome beeinflusst. Tauch tiefer ins Thema ein mit Experimenten, Diagrammen und der Formel zur Berechnung der Längenänderung. Neugierig geworden? Mehr dazu erfährst du in unserem Text.
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Grundlagen zum Thema Längenänderung fester Körper
Ausdehnung fester Körper bei Erwärmung
Der Berliner Fernsehturm hat an kalten Wintertagen eine Höhe von $368\,\pu{m}$. An heißen Tagen kann er um bis zu $18\,\pu{cm}$ höher sein. Wie kommt dieser Unterschied zustande? Und welcher physikalische Prozess steckt dahinter? Um das zu verstehen, müssen wir uns mit der Längenänderung fester Körper befassen. In diesem Text wird dir die Längenänderung fester Körper auf physikalische Weise erklärt.
Was passiert, wenn ein fester Körper erwärmt wird?
Was verstehen wir unter dem Begriff Festkörper und was bedeutet seine Temperatur im Teilchenmodell?
- Körper im festen Aggregatzustand werden Festkörper genannt. Atome des Festkörpers können ihre Plätze zwar nicht verlassen, sie können aber um ihre Ruhelage schwingen.
Die Temperatur $T$ ist ein Maß dafür, wie stark die Atome um ihre Ruhelage schwingen. Ist es wärmer, so besitzen Atome mehr Energie und schwingen stärker. Je größer die Beweglichkeit der Atome ist, umso mehr Platz benötigen sie. Benötigt jedes Atom etwas mehr Platz, so muss der Festkörper größer werden.
Wie genau sich diese erhöhte Beweglichkeit durch die Temperaturänderung auf die Längenänderung des gesamten Festkörpers auswirkt, schauen wir uns im Folgenden an.
Längenänderung fester Körper
Betrachten wir die Längenänderung eines homogenen Metallrohrs an einem Versuchsaufbau. Das Stahlrohr im Versuch besitzt eine Länge von einem Meter. Es liegt mit dem einen Ende auf einer Walze, die mit einem Zeiger verbunden ist. Das andere Ende ist fest eingespannt.
Die Walze dreht sich, wenn der Stab länger wird. Dadurch wird der Zeiger bewegt. Der Zeigerausschlag ist dabei proportional zur
Um den Zeigerausschlag bei verschiedenen Temperaturen darzustellen, kann ein
Zwischen den beiden Größen (Längen- und Temperaturänderung) ist ein proportionaler Zusammenhang erkennbar. Atome benötigen bei größerer Beweglichkeit, also einer höheren Temperatur, mehr Abstand zu ihren Nachbarn als bei geringerer Beweglichkeit, also niedrigeren Temperaturen. Wir halten fest:
- Die Längenänderung ist proportional zur Temperaturänderung.
Bei großen Temperaturen und Temperaturunterschieden können jedoch Abweichungen der Proportionalität auftreten.
Betrachten wir nun ein halb so langes Rohr. Dieses Rohr besitzt genau halb so viele Atome, die bei einer Temperaturerhöhung stärker schwingen. Das ist dargestellt als violetter Graph in dem Diagramm. Es ist erkennbar, dass die Längenänderung nur halb so groß ist. Daraus folgt:
- Die Längenänderung ist von der Anfangslänge $\it{l_1}$ des Festkörpers abhängig.
Wird dieses Experiment mit einem $1\,\pu{m}$ langen Rohr bestehend aus einem anderen Metall, zum Beispiel Aluminium, wiederholt, so ergibt sich eine Gerade mit einer größeren Steigung, erkennbar als grüner Graph im Diagramm. Daraus folgt:
- Die Längenänderung ist materialabhängig.
Das liegt daran, dass Atome unterschiedlicher Art auch unterschiedlich viel Platz benötigen, wenn sie schwingen. Ähnliche Experimente zeigen, dass die oben gezeigte Proportionalität von der Längenänderung zur Temperatur auch für andere Metalle, Stein und Glas gilt.
Längenänderung fester Körper – Formel zur Berechnung
Durch den Versuch hat sich ergeben, dass die Längenänderung $\Delta\,l$ und die Temperaturänderung $\Delta\,T$ proportional zueinander sind. Mathematisch schreibt man das folgendermaßen:
$\Delta\,l \propto \Delta\,T$
Die Längenänderung ergibt sich aus der Differenz zwischen der Ausgangslänge $l_1$ und der Endlänge $l_2$.
$\Delta\,l = l_2 - l_1$
Die Temperaturänderung ergibt sich aus der Differenz zwischen Ausgangstemperatur $T_1$ und Endtemperatur $T_2$.
$\Delta\,T = T_2 - T_1$
Aus der Proportionalität ergibt sich:
$\Delta\,l = k \cdot \Delta\,T$
Wobei $k$ die Proportionalitätskonstante ist. Sie entspricht der Steigung der Geraden im
$k = l_1 \cdot \alpha$
Insgesamt ergibt sich die folgende Formel für die Längenänderung eines Festkörpers:
$\Delta\,l = l_1 \cdot \alpha \cdot \Delta\,T$
Durch den Längenausdehnungskoeffizienten $\alpha$ wird angezeigt, wie stark sich ein Stoff bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt. Er ist eine Materialkonstante, stets positiv und wird in der Einheit eins durch Kelvin, also $\frac{1}{\pu{K}}$, angegeben. Je größer $\alpha$ ist, umso stärker dehnt sich ein Stoff bei Erwärmung aus. Die folgende Tabelle zeigt die Längenausdehnungskoeffizienten verschiedener Stoffe.
Stoff | $\alpha$ mit $[\alpha]=10^{-6} \,\frac{1}{\pu{K}}$ |
---|---|
Glas | |
Beton | |
Silber | |
Platin | |
Es ist abzulesen, dass sich Silber bei Erwärmung deutlich stärker ausdehnt als Glas und Platin.
Längenänderung fester Körper – Beispiele
Zwei bekannte Anwendungen dieses Prinzips wollen wir uns nun etwas genauer anschauen, das Bimetall und die Dehnungsfuge.
Schauen wir uns an, was passiert, wenn eine Verbindung von zwei Metallen erwärmt wird, deren Längenausdehnungskoeffizienten sich stark unterscheiden. In dem folgenden Beispiel ist es die Verbindung von Platin und Silber. Da diese beiden Materialien Metalle sind, wird die Verbindung auch Bimetall genannt. Silber dehnt sich beim Erwärmen deutlich stärker aus als Platin.
Es folgt, dass sich das Bimetall verformt. Dieses Prinzip wird unter anderem bei der Temperaturmessung verwendet. Ungewollt kann der Effekt jedoch auch auftreten. Diese Konstruktionen sind dann temperaturanfällig und können bei hoher Temperatur verbiegen oder brechen.
Dehnungsfugen werden verwendet, um die Zerstörung von Bauwerken durch Temperaturänderungen zu verhindern. So ist genügend Platz, dass sich Materialien an heißen Tagen ausdehnen können. Vielleicht hast du das schon einmal bei einer Brücke gesehen.
Längenänderung fester Körper – Zusammenfassung
Die folgenden Stichpunkte fassen das Wichtigste zur Längenänderung fester Körper noch einmal zusammen.
- Bei höherer Temperatur benötigen die Atome größere Abstände zueinander.
- Daraus folgt eine Ausdehnung von Festkörpern beim Erwärmen.
- Die Längenänderung ist proportional zur Temperaturänderung.
- $\alpha$ ist der Längenausdehnungskoeffizient und eine Materialkonstante. Je größer $\alpha$ ist, umso stärker dehnt sich ein Stoff bei Erwärmung aus.
- Eine praktische Anwendungsmöglichkeit ist ein Bimetallstreifen.
- Dehnungsfugen verhindern, dass Brücken oder Bauwerke durch temperaturbedingte Längenänderungen beschädigt werden.
Zusätzlich zum Video und dem Text findest du hier auf der Seite noch Übungen und Arbeitsblätter zum Thema Längenänderung fester Körper.
Transkript Längenänderung fester Körper
Hallo, ich bin Stefan und möchte mit dir das Thema Längenänderung fester Körper bearbeiten. Hierzu beginnen wir zunächst mit einem anschaulichen Beispiel. Vielleicht hast du es ja schon gehört, dass nicht nur Pflanzen, Tiere und Menschen wachsen können, auch Gebäude können wachsen. Und das möchte ich am Beispiel des Berliner Fernsehturms zeigen. Die Höhe an einem Wintertag beträgt dreihundertachtundsechzig Meter und bis zum Sommer wird er an extrem heißen Tagen um bis zu achtzehn Zentimeter gewachsen sein. Jedoch schrumpft er auch zum Winter wieder um denselben Wert. Ein Glück, dass du nicht der Fernsehturm bist, sonst würdest du ja nie groß werden können. Um zu verstehen, was mit dem Fernsehturm eigentlich geschieht, müssen wir uns noch einmal kurz damit auseinandersetzen, was ein Festkörper und seine Temperatur eigentlich ist. Anschließend erkläre ich euch anhand eines homogenen Metallrohres, was bei der Längenänderung eigentlich geschieht und warum sich feste Körper ausdehnen. Ich habe natürlich nicht im Sommer und im Winter den Fernsehturm gemessen, also muss es auch einen Weg geben das zu berechnen. Dazu benötigen wir dann den Längenausdehnungskoeffizienten. Und nachdem du dann in der Lage bist die Längenausdehnung zu berechnen, zeige ich dir als Anwendung das Bimetall und die Dehnungsfuge. Na dann mal los. Was ist eigentlich ein Festkörper und was bedeutet seine Temperatur im Teilchenmodell? Festkörper sind Körper im festen Aggregatzustand. Hier haben die Atome einen festen Platz, von dem sie nicht so einfach wegkommen. Sie können lediglich etwas hin- und herschwingen, kommen jedoch nie weit von ihrer Ruhelage weg. Die Temperatur ist ein Maß dafür, wie sehr die Atome um ihre Ruhelage schwingen. Je wärmer es ist, umso mehr Energie besitzen die Atome und schwingen somit heftiger. Die Atome benötigen mehr Platz, je größer deren Beweglichkeit ist. Wenn nun alle Atome ein Stückchen mehr Platz für sich benötigen, dann muss der Festkörper größer werden. Aber wie genau wirkt sich die erhöhte Beweglichkeit der Atome, beziehungsweise die Temperaturänderung auf die Längenänderung des gesamten Festkörpers aus? Um dies festzustellen betrachten wir folgenden Versuchsaufbau. Ein Stahlrohr von einem Meter Länge ist an einem Ende fest eingespannt und liegt mit dem anderen Ende auf einer Walze, welche mit einem Zeiger verbunden ist. Wird der Stab länger, dreht sich die Walze und der Zeiger bewegt sich. Der Zeigerausschlag ist proportional zur Längenänderung Delta l. Dies ist nötig, da die Längenänderung von Metallen sehr klein ist und wir sie anders nicht genau messen könnten. Um die Temperaturänderung des Rohres zu regulieren, wird Wasser oder Wasserdampf durch das Rohr geleitet. Wir erstellen ein Delta T-Delta l-Diagramm, um den Zeigerausschlag bei verschiedenen Temperaturen darstellen zu können. Hierzu zeichnen wir auf der x-Achse die Temperaturänderung in Kelvin und auf der y-Achse die Längenänderung in Millimeter ein. Man erkennt einen proportionalen Zusammenhang zwischen den beiden Größen. Das heißt, der Graph stellt eine Gerade dar, deren Steigung die Proportionalitätskonstante ist. Atome benötigen also bei größerer Beweglichkeit mehr Abstand zu ihren Nachbarn als bei niedrigeren Temperaturen. Als nächstes schauen wir uns das Verhalten eines halb so langen Stahlrohres an. Hier beginnen genau die Hälfte der ursprünglichen Atome stärker zu schwingen und benötigen mehr Platz. Somit ist auch die Längenänderung des Stahlrohres beziehungsweise die Steigung der Gerade auch nur halb so groß. Die Längenänderung hängt von der Anfangslänge l1 des Festkörpers ab. Wiederholen wir nun das Experiment mit einem anderen Metall, zum Beispiel Aluminium. Es ergibt sich eine Gerade mit einer größeren Steigung. Die Längenausdehnung ist also auch “materialabhängig”. Das liegt daran, dass unterschiedliche Atome auch unterschiedlich viel Platz benötigen, wenn sie schwingen. Ähnliche Experimente zeigen, dass die Proportionalität für viele andere Metalle, Stein und Glas gilt. Bei großen Temperaturen und Temperaturunterschieden gibt es allerdings Abweichungen von dieser Proportionalität. Um die Längenänderung berechnen zu können, müssen wir unsere Feststellungen noch in Formeln fassen. Die Versuche ergaben, dass Längenänderung Delta l und Temperaturänderung Delta T proportional zueinander sind. Das heißt, Delta l = K * Delta T, wobei K die Proportionalitätskonstante und der Steigung der Geraden im Delta T-Diagramm entspricht. Diese Proportionalitätskonstante hängt ab von der Anfangslänge l1 und hat einen “materialabhängigen” Anteil. Der “materialabhängige” Anteil heißt Längenausdehnungskoeffizient. Sein Formelzeichen ist Alpha. Es gilt: K = l1 * Alpha. Insgesamt ergibt sich also für die Längenänderung eines Festkörpers Delta l = l1 * d * Delta T. Der Längenausdehnungskoeffizient Alpha zeigt an, wie stark sich ein Stoff beim Erhöhen der Temperatur ausdehnt. Der Längenausdehnungskoeffizient ist eine Materialkonstante und stets positiv. Seine Einheit ist eins durch Kelvin. Je größer Alpha ist, umso stärker dehnt sich ein Stoff beim Erwärmen aus. Hier siehst du ein paar Beispiele für den Längenausdehnungskoeffizienten einiger Materialien. Es dehnt sich also Silber sehr viel stärker aus als Glas. Zum Abschluss wollen wir uns noch ein, zwei Anwendungen dieses Prinzips anschauen. Das Bimetall und die Dehnungsfuge. Interessant wird es, wenn eine Verbindung von zwei Materialien erwärmt wird, deren Längenausdehnungskoeffizient sich stark unterscheidet. In diesem Beispiel Platin und Silber. Da diese beiden Materialien Metalle sind, wird der Verbund derer auch “Bimetall” genannt. Silber dehnt sich beim Erwärmen bedeutend stärker aus als Platin. Es treten somit Verspannungen auf, die im schlimmsten Fall die Verbindung zerstören können. Das Zurückhalten der Ausdehnung an der Grenzschicht tritt jedoch nicht auf der anderen Seite des Silbers auf. Das Bimetall verformt sich. Auf diese Art und Weise können zum Beispiel Temperatursensoren in Bügeleisen funktionieren. Wenn sich das Bimetall weit genug gebogen hat, kann ein elektrischer Schaltkreis geschlossen oder unterbrochen werden. Ungewollt kann der Effekt jedoch auch auftreten. Diese Konstruktionen sind dann “temperaturanfällig” und können bei hoher Temperatur verbiegen oder brechen. Um Zerstörung von Bauwerken zu umgehen, können Dehnungsfugen eingesetzt werden. Dadurch haben die Materialien genug Platz, um sich an sehr heißen Tagen ungestört ausdehnen zu können. Dieses hast du bestimmt schon mal bei einer Brücke gesehen, wie hier auf diesem Foto. So, nun hast du es fast geschafft. Lass uns nun noch schnell zusammenfassen, was wir heute gelernt haben: Atome benötigen einen größeren Abstand zueinander, wenn sich die Temperatur erhöht. Damit dehnen sich Festkörper beim Erwärmen aus. Die Längenänderung ist linear von der Temperaturänderung abhängig. Ein “materialspezifischer” Teil des Proportionalitätsfaktors wird als “Längenausdehnungskoeffizient Alpha” bezeichnet. Dieser Koeffizient ist stets positiv. Eine praktische Anwendungsmöglichkeit um Temperatursensoren bauen zu können, ist ein “Bimetallstreifen”. Und Dehnungsfugen verhindern, dass Brücken oder Bauwerke kaputt gehen. Das war es dann auch schon wieder bei Physik mit Stefan. Ich hoffe, du siehst mich bald wieder. Bis dahin, tschüss.
Längenänderung fester Körper Übung
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Beschreibe, was in einem Festkörper bei Temperaturerhöhung geschieht.
TippsHier siehst du einen Festkörper im Modell.
Die Atome sind grün dargestellt, die Bindungen schwarz. Welche Bewegungen können die Atome ausführen und welche nicht?
Stell dir vor, die Bindungen zwischen den Atomen werden immer flexibler, je höher die Temperatur steigt.
LösungIn einem Festkörper werden die Atome durch die starken Anziehungskräfte untereinander an ihren Plätzen gehalten. Stellt man sich die (unsichtbaren) Bindungen zwischen den Atomen als Bänder vor, so sind diese bei niedrigen Temperaturen sehr starr. Die Atome können sich fast gar nicht bewegen. Je wärmer der Festkörper wird, desto flexibler werden die Bänder; die Atome bewegen sich stärker hin und her. Sie sind aber dennoch weiter an den Bändern befestigt. Durch die stärkere Bewegung benötigen die Atome mehr Platz, der Festkörper dehnt sich aus. Diese Größenzunahme ist aber in der Regel sehr gering, also nicht direkt sichtbar.
-
Fasse das Verhalten eines Bimetallstreifens bei Erwärmung zusammen.
TippsDie beiden Metalle sind fest verbunden. Sie können ihrem angestrebten Ausdehnungverhalten (Verlängerung an den Enden) nicht direkt folgen.
Die Schmelztemperaturen der Metalle Silber und Platin werden nicht erreicht.
Das Metall, das sich stärker ausdehnt, drückt das andere Metall zur Seite.
LösungDer Bimetallstreifen biegt sich in Richtung der Platinseite: in Richtung des Metalls, das sich weniger stark ausdehnt, also einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten besitzt. Das liegt daran, dass das Silber bei der Temperaturerhöhung durch die feste Verbindung mit dem Platin nicht direkt der Längenzunahme folgen kann.
Damit können Bimetallstreifen in elektrischen Schaltkreisen als Temperatursensor verwendet werden. Sie führen zum Abschalten von Bügeleisen, wenn die Höchsttemperatur erreicht ist. Oder sie lösen einen Feueralarm aus, wenn die Umgebungstemperatur zu stark ansteigt.
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Deute die Ergebnisse des gezeigten Versuchs.
TippsWie viele Graphen sind im Diagramm dargestellt?
Welchen Zusammenhang erkennst du zwischen Temperatur und Längenänderung?
An welcher Form des Graphen erkennst du einen proportionalen Zusammenhang?
Welche Aussage kannst du anhand der Steigung der Graphen treffen?
Wie heißt der Proportionalitätsfaktor, wenn wie in diesem Versuch die Metallrohre alle dieselbe Länge besitzen?
LösungUnd so lautet die korrekte Auswertung des Versuchs von Karl und Onur:
Wir haben die Längenänderung von drei gleich langen Rohren aus unterschiedlichen Metallen in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht.
Je stärker die Rohre erwärmt wurden, desto mehr nahm ihre Länge zu. Dabei zeigt sich, dass sich die Längenänderung bei allen drei Rohren proportional zur Temperatur verhält. Das bedeutet, dass jedes Rohr bei gleichen Temperaturdifferenzen seine Länge immer um den gleichen Wert ändert.
Das Metallrohr, dass durch den roten Graphen dargestellt wird, ändert seine Länge während des Versuchs am Wenigsten. Das erkennt man daran, dass der Graph die kleinste Steigung besitzt. Den geringsten Längenausdehnungskoeffizienten besitzt demnach das rot dargestellte Rohr, den höchsten das grün dargestellte Rohr.
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Beurteile, ob die wetterbedingte Längenänderung von Zuggleisen kritisch für die Fahrsicherheit ist.
TippsTemperaturunterschiede werden in Kelvin angegeben. 50 K entsprechen dabei 50°C Temperaturunterschied (hier zum Beispiel von -20°C bis +30°C).
LösungDie Längenänderung einer Zugschiene von 100 m Länge ist mit 6 cm vergleichsweise gering. Dennoch können die Änderungen nicht vernachlässigt werden. Um diese auszugleichen, wurden früher zwischen den einzelnen Schienenstücken Lücken, Schienenstoß genannt, gelassen. Heute werden die Schienen so fest verschweißt, dass der Effekt keine negativen Auswirkungen hat. Die dabei entstehenden Spannungen in den Schienen müssen aber vom Material toleriert werden.
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Gib die technischen Beispiele zur Längenänderung von Festkörpern wider.
TippsNur eine technische Anwendung nutzt das Prinzip der Längenänderung von Festkörpern gezielt aus.
Die anderen Anwendungen dienen dem Ausgleich der Effekte bei wetterbedingten Temperaturänderungen.
LösungBimetallstreifen werden gezielt hergestellt und sind somit eine technische Anwendung, die die unterschiedliche Längenänderung von Festkörpern bei Temperaturerhöhung ausnutzt. Im Besonderen sind das dabei die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten von zwei Metallen, die durch ihre Leitfähigkeit als temperaturabhängige Schalter (Temperatursensoren) in Stromkreisen eingesetzt werden.
Materialien, die veränderlichen Außentemperaturen ausgesetzt sind, zeigen unerwünschter Weise aber auch das Längenausdehnungsverhalten bei Temperaturerhöhung. Bei alten Schienen wurde dies bautechnisch durch Lücken in den Gleisen (Schienenstoß) ausgeglichen, bei Brückenhälften werden Dehnungsfugen eingebaut. Sind mehrere Baustoffe miteinander verbunden, treten ähnliche Effekte wie beim Bimetallstreifen auf. Die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der Materialien können im Extremfall zur Zerstörung von Konstruktionen führen. Sie müssen daher bei der Planung berücksichtigt werden.
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Sage die zu erwartende Beobachtung voraus.
TippsStromleitungen enthalten das Metall Kupfer.
Benenne die Auswirkungen, die eine Temperaturerhöhung auf einen Kupferdraht hat.
LösungDie Stromleitungen hängen im Sommer stärker durch.
Der Kupferdraht im Innern der Stromleitungen besitzt wie viele Metalle einen hohen Längenausdehnungskoeffizienten. Die jahreszeitbedingten Temperaturänderungen reichen daher aus, dass sich die Länge der Stromleitungen im Freien merklich verändert. Die Länge eines Leiterstücks zwischen zwei Aufhängungen nimmt im Sommer zu, darum hängt die Leitung dann tiefer. Im Gegenzug ist es aber auch wichtig, die Leitungen nicht zu straff zu spannen, da sie sonst im Winter durch die Verkürzung zerreißen können.
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