Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes und dabei meist eines Materials, bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt. Der hierfür verantwortliche Effekt ist die Wärmeausdehnung.

Es wird zwischen dem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten α (auch linearer Wärmeausdehnungskoeffizient) und dem thermischen Raumausdehnungskoeffizienten γ (auch räumlicher Ausdehnungskoeffizient oder Volumenausdehnungskoeffizient) unterschieden:

• Der Längenausdehnungskoeffizient gibt an, um welchen Betrag im Verhältnis zur gesamten Länge, sich ein fester Körper bei einer Temperaturänderung von einem Kelvin vergrößert oder verkleinert. Bei anisotropen Festkörpern kann auch die Messrichtung einen Einfluss haben, was es in Bezug auf die Aussagekraft der Stoffwerte zu beachten gilt.
• Der Raumausdehnungskoeffizient gibt an, um welchen Betrag im Verhältnis zum gesamten Volumen, sich das Volumen einer Flüssigkeit bei einer Temperaturänderung von einem Kelvin vergrößert oder verkleinert.

Im Allgemeinen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient eine positive Größe. Wegen des Massenerhaltungssatzes geht daher bei den meisten Stoffen eine Temperaturerhöhung mit einer Verringerung der Dichte einher. Manche Stoffe wie beispielsweise Wasser zwischen 0 und 4 °C zeigen jedoch in einem bestimmten Temperaturbereich ein ungewöhnliches Verhalten, das man als Dichteanomalie bezeichnet. Außerdem gibt es Materialien wie zum Beispiel einige Arten von Glaskeramik, deren Wärmeausdehnungskoeffizient nahezu Null ist.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird auf empirischen Wege durch Messungen ermittelt und gilt nur für den Stoff und für den Temperaturbereich an beziehungsweise in dem die Messung erfolgte.

Beispiele

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Längenausdehnungskoeffizient α einiger Feststoffe
Bezeichnung	α in 10-6/K bei 20 °C
Aluminium, gewalzt	23,2
Aluminium, rein	23,0
Antimon	10,5
Aramidfaser (HM-Faser in Längsrichtung)	-4,1
Beryllium	12,3
Beton	6 bis 14
Blei	29,3
Bronze	17,5
Cadmium	41,0
Chrom	6,2
Diamant	1,3
Eis, 0 °C	51,0
Eisen	12,2
Germanium	6,0
Glas (Fensterglas)	7,6
Glas (Geräteglas)	4,5
Glas (BK7)	7.1
Glas (Borosilikatglas, Pyrex)	3,25
Glas (Quarzglas)	0,5
Glaskeramik (Zerodur)	< 0,1
Gold	14,2
Granit	3,0
Graphit	2,0
Grauguss	9,0
Holz, Eiche	8,0
Invar	1,7-2,0
Iridium	6,5
Kochsalz	40,0
Kohlenstofffaser (HM 35 in Längsrichtung)	-0,5
Konstantan	15,2
Kovar	um 5
Kupfer	16,5
Magnesium	26,0
Mangan	23,0
Mauerwerk	5,0
Messing	18,4
Molybdän	5,2
Neusilber	18,0
Nickel	13,0
Platin	9,0
Polyamid (Nylon)	120,0
Polymethylmethacrylat (PMMA)	85,0
Polyvinylchlorid (PVC)	80,0
Porzellan	3,0
Silber	19,5
Silizium	2,0
Stahl	13,0
Stahl, rostfrei	14,4-16,0
Titan	10,8
Wismut	14,0
Wolfram	4,5
Zink	36,0
Zinn	26,7

 

Raumausdehnungskoeffizient γ einiger Flüssigkeiten
Bezeichnung	γ in 10-3/K bei 20 °C
Alkohol (Ethanol)	1,10
Aceton (Propanon)	1,43
Benzin	1,06
Benzol	1,23
Chloroform (Trichlormethan)	1,28
Essigsäure	1,07
Ether	1,62
Ethylacetat	1,38
Glyzerin (Propantriol)	0,49
Methanol	1,10
Mineralöl (Hydrauliköl)	0,70
Paraffin	0,76
Petroleum	0,96
Quecksilber	0,18
Terpentinöl	1,00
Tetrachlormethan	1,22
Toluol	1,11
Wasser (siehe hier)	0,21

Zweiphasige Werkstoffe

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Für zweiphasige Werkstoffe, welche aus einer Matrixphase und einer eingelagerten oder durchdringenden Phase bestehen, ergibt sich der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient aus folgender Formel:

$\backslash alpha=\backslash alpha\_M+\backslash frac\{(\backslash alpha\_I-\backslash alpha\_M)\backslash cdot\; V\_I\; E\_I\; \backslash cdot\; (1-2\; \backslash nu\_M)\}\{V\_M\; E\_M\; \backslash cdot(1-2\; \backslash nu\_I)\; +\; V\_I\; E\_I\; \backslash cdot(1-2\backslash nu\_M)\}$

hierbei bezeichnen $\backslash alpha\_M$ bzw $\backslash alpha\_I$ die Wärmeausdehnungskoeffizienten, $V\_M$ bzw $V\_I$ die Volumenanteile, $E\_M$ bzw $E\_I$ die Elastizitätsmoduln und $\backslash nu\_M$ bzw $\backslash nu\_I$ die Querkontraktionszahlen der Matrixphase (Index M) bzw der eingelagerten Phase (Index I).

Literatur

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• G.Ondracek: Werkstoffkunde, Leitfaden für Studium und Praxis, ISBN 3-88508-966-1, Expert-Verlag, 2. Aufl., 1986

Weblinks

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• Bestimmung des Volumenausdehnungskoeffizienten von Luft (PDF-Dokument)

Werkstoffeigenschaft

Coefficient of thermal expansion | Uitzettingscoëfficiënt | temperaturni koeficient