Wärmeausdehnung

Unter Wärmeausdehnung (auch thermische Expansion) versteht man die Änderung der geometrischen Abmessungen (Länge, Flächeninhalt, Volumen) eines Körpers, hervorgerufen durch eine Veränderung seiner Temperatur. Die Umkehr dieses Vorganges durch die Abkühlung wird oft als Wärmeschrumpfung (auch thermische Kontraktion) bezeichnet. Der Kennwert ist der Ausdehnungskoeffizient.

Auswirkungen und Anwendungen

Mit einer Wärmeausdehnung geht stets auch eine Änderung der Dichte einher. Bei fluiden Körpern kann dies zu veränderten Druckverhältnissen führen. Insbesondere die daraus folgende Konvektion äußert sich in Meeresströmungen und Luftströmungen und ist Teil des Wetters. Dies wird in Thermikkraftwerken und im Segelflug genutzt. Weitere Beispiele der Nutzung der Wärmeausdehnung sind Bimetallstreifen, viele Arten von Thermometern und Temperaturreglern, der Stirlingmotor, alle Verbrennungsmotoren und Heißluftballone.

Kommt es zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen in einem Körper oder in mechanisch verbundenen Körpern, können mechanische Spannungen entstehen, die im Extremfall zur Beschädigung oder Zerstörung eines Bauteils führen können. Im sogenannten Bolzensprengversuch wird das eindrücklich demonstriert. Bestimmte Maße verändern sich entgegengesetzt zur Längenänderung der Bauteile. Also können sich konstruktiv vorgesehene Abstände zwischen Bauteilen bei deren Ausdehnung verringern oder schließen. Ursache eines Ausdehnungsunterschiedes kann ein Temperaturunterschied oder die Kombination von Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten sein.

Architekten, Bauingenieure und Konstrukteure halten unterschiedliche Wärmeausdehnungen durch Einsatz geeigneter Materialien gering. Zusätzlich oder alternativ werden Dehnungsfugen, ausreichendes Spiel zwischen Bauteilen oder ein Ausgleich der Größendifferenzen durch Kompensatoren eingesetzt. Wärmeausdehnungsbedingte Positionsabweichungen in elektronisch gesteuerten Maschinen, wie etwa Robotern, können auch steuerungstechnisch ausgeglichen werden.