Die Änderung der Temperatur und ihre Folgen für Gase, flüssige und feste Körper

Gase reagieren empfindlich auf eine Änderung der äußeren Umstände. Dies betrifft sowohl die Änderung der Temperatur und die Änderung des Volumens als auch die Änderung des Druckes oder die Änderung mehrerer Parameter.

Der Zusammenhang der Parameter Druck p und Volumen V eines Gases bei konstanter Temperatur T wird durch das Boyle Mariott’sche Gesetz beschrieben. Es gilt pV = konstant, wenn T = konstant. Unter Einbeziehung der Temperatur, ergibt sich hieraus die allgemeine Gasgleichung: pV/T = konstant. Diese Gleichung verknüpft Druck, Volumen und Temperatur eines Gases für beliebige Veränderungen. Sie kann überprüft werden, indem der Zusammenhang zwischen Temperatur und Druck sowie zwischen Temperatur und Volumen gemessen wird. Die dritte Größe, also entweder das Volumen oder der Druck werden hierbei konstant gehalten.

Bei der Messung wird zunächst die Ausdehnung einer Luftmenge, die in einem Glasröhrchen durch einen beweglichen Quecksilbertropfen eingesperrt ist untersucht. Diese Luftmenge hat immer den gleichen Druck. Anschließend wird die Änderung des Luftdruckes in einem Glasgefäß mit variabler Temperatur untersucht. Die Luftmenge im Kolben wird auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann fest eingeschlossen. Das Volumen der Luft ist daher konstant, während die Temperatur langsam absinkt. Der Druck im Kolben steigt während des Erhitzens an. Durch diese Untersuchungen wird die Theorie der allgemeinen Gasgleichung bestätigt.

Bei flüssigen und festen Körpern ändert sich manchmal sogar die Form, wenn die Temperaturänderung ausreichend groß ist. Diese Körper können dann sowohl ihre Länge, als auch ihre Breite und ihre Tiefe ändern. Durch das geschickte auswählen von Formen oder das feste einspannen von Rohren an einem Ende, lässt sich die Änderung der Form in einer Richtung messen. Es handelt sich um eine Längenänderung des Körpers. Die meisten Körper dehnen ihre Länge bei einer ausreichend großen Zunahme der Temperatur aus. Je nachdem, aus welchem Stoff die Körper bestehen, fällt diese Längenänderung größer oder kleiner aus. Bei einigen Stoffen, wie zum Beispiel Gummi, lässt sich auch das Phänomen der Verkürzung beobachten. Wird die Temperatur eines Körpers erhitzt, so nimmt dessen innere Energie zu.

Wenn die innere Energie steigt, folgt aus dem Teilchenmodell, dass die Energie der Teilchen des Körpers zunimmt. Hierdurch nimmt ihre Bewegungsenergie besonders stark zu. Die Teilchen vergrößern dadurch auch ihren Bewegungsraum und brauchen mehr Raum. Dies führt dazu, dass der Körper sich ausdehnt. Ein Gummiring bildet die Ausnahme, denn dieser zieht sich bei einer Erhöhung der Temperatur zusammen. In diesem Fall lässt sich die Betrachtung mit Hilfe des Teilchenmodells nicht durchführen.

Längenänderung von Festkörpern

Es stellt sich die Frage, wie genau die Längenänderung eines festen Körpers von der Änderung der Temperatur abhängt. Je größer die Erhöhung der Temperatur ist, desto mehr dehnt sich der Körper aus, also desto länger wird er. Es gilt: die Längenänderung ist proportional zur Temperaturänderung.
Auch die ursprüngliche Länge des Rohres ist wichtig. Je Länger das Rohr ist, desto größer ist die Längenänderung bei der gleichen Erhöhung der Temperatur.

Das Phänomen der Längenänderung und somit auch der Volumenänderung tritt nahezu überall aus. Einige Beispiel findet man bei den Schienen und Leitungen der deutschen Bahn. Die elektrischen Fahrleitungen müssen sowohl bei sommerlichen Temperaturen als auch bei winterlichen Temperaturen straff gespannt sein. Damit dies gewährleistet ist, werden bewegliche Massen an den Halterungen und Masten angebracht. Die Leitungen, welche an den Hochspannungsmasten hängen im Sommer stärker durch, als dies bei kalten Temperaturen im Winter der Fall ist. Auch Brücken unterliegen der Ausdehnung bei erhöhter Temperatur. Deshalb befinden sich Brückenenden in der Regel auf Rollenlagern. Diese haben Dehnungsfugen und können die Längenunterschiede auf der Fahrbahn ausgleichen.