Wirkung der Wärme

Unser Autor: Dipl.-Ing.(FH) Kuno Schlatter unterrichtet an der Gewerbeschule in Titisee-Neustadt und an der Akademie für Betriebsmanagement in der Fried-rich-Weinbrenner-Schule in Freiburg

Wird einem festen Körper Wärme zugeführt, so schwingen seine Moleküle infolge der größeren kinetischen Energie weiter aus ihrer Gleichgewichtslage heraus. Das Gefüge des festen Körpers wird gelockert, er dehnt sich aus. Je nach Stoffart ist die räumliche Ausdehnung eines Körpers unterschiedlich. Polyäthylen dehnt sich 17-mal stärker aus als Stahl; PVC über 6-mal stärker als Beton und über 13-mal so stark wie Holz (siehe Tabelle 2-2).

Bei Zufuhr von Wärme kehren die Moleküle eines festen Körpers wegen der hohen Bewegungsenergie nicht mehr in die Gleichgewichtslage im Gefüge zurück, es bricht das Kristallgefüge (Kristallgitter) des Körpers zusammen und er wird flüssig. Die Kohäsionskräfte (Zusammenhalt) der Moleküle sind gering; es ist daher zwar noch ein bestimmtes Volumen, jedoch keine feste Gestalt mehr vorhanden.

Flüssigkeiten dehnen sich bei Wärmezufuhr erheblich stärker aus als feste Körper. Aus diesem Grund ist im Heizungskreislauf einer Zentralheizung ein Ausdehnungsgefäß eingebaut und beim Aufheizen des Warmwassers läuft die „überschüssige“ Wassermenge in einen Überlauf.

Mit einem Temperaturanstieg eines flüssigen Körpers nimmt die Bewegungsenergie seiner Moleküle weiter zu. Einzelne Moleküle erreichen eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie die Flüssigkeitsoberfläche durchstoßen und nach außen entweichen, d. h. ein Teil der Flüssigkeit siedet bzw. verdampft. Der Molekülverband ist jetzt ganz aufgelöst.

Die Ausdehnung gasförmiger Körper (Gase) bei Erwärmung ist wesentlich höher als die von Flüssigkeiten.

Bei Stoffen wird je nach Wärmezufuhr der feste, der flüssige und der gasförmige Zustand unterschieden (Abb. 2-1). Die Temperatur, bei der die Moleküle ihre Bindung in einem festen Gefüge verlieren und der Stoff in den flüssigen Zustand übergeht, wird Schmelzpunkt oder Schmelztemperatur genannt. Um einen festen Stoff bei seiner Schmelztemperatur in den flüssigen Zustand zu bringen, muss ihm noch die Schmelzwärme zugeführt werden. So benötigt beispielsweise 1 Liter Eis von 0 °C 335 kJ, um es in 1 Liter Wasser von 0 °C umzuwandeln (Tab. 2-1). Der Siedepunkt oder die Siedetemperatur ist diejenige Temperatur, bei der ein flüssiger Stoff in den gasförmigen Zustand übergeht.

Bei Entzug von Wärme verflüssigt (kondensiert) ein gasförmiger Stoff. Die Temperatur wird als Kondensationspunkt (Taupunkt) bezeichnet.

Die bei der Erstarrung einer Flüssigkeit herrschende Temperatur wird als Erstarrungspunkt bezeichnet, speziell bei Wasser, Gefrier- oder Eispunkt. Hierbei werden wiederum pro Liter Wasser 335 kJ Wärmeenergie freigesetzt.

Normalerweise verringert sich das Volumen eines Stoffes bei einem Temperaturabfall. Eine Ausnahme bildet das Wasser unterhalb von 4 °C; Eis hat ein ca. 10 Prozent größeres Volumen und schwimmt deshalb auf dem Wasser, das bei 4 °C die größte Dichte und sein kleinstes Volumen hat (Anomalie des Wassers). Daher schwimmt Eis auf dem Wasser und Pflanzen und Tiere haben unterhalb der Eisschicht bei 4 °C uneingeschränkte Bewegungsfreiheit.

Sind porige Baustoffe mit Wasser gefüllt oder durchfeuchtet und gefrieren sie im Winter, kann die Sprengwirkung des Eises zu beträchtlichen Bauschäden führen, Wasserleitungen können platzen.

Stoffe dehnen sich bei Erwärmung in alle Raumrichtungen aus. Bei Abkühlung ziehen sie sich in allen Raumrichtungen zusammen. Bei festen Stoffen sind Aluminium und Stahl als Beispiel mit großer Ausdehnung zu nennen, Holz mit geringer. Die Wirkungsweise eines Bimetallschalters, beispielsweise in einem Thermostat, beruht auf der unterschiedlichen Ausdehnung zweier Metalle. Stahl und Beton dehnen sich nahezu gleich aus und nur deshalb lassen sie sich in Bauwerken zu Stahlbeton verbauen.

Aceton besitzt bei den Flüssigkeiten eine extrem hohe Ausdehnung; Wasser und Quecksilber die geringste. Gase dehnen sich, bezogen auf ihr Volumen bei 0 °C um 1/273 pro °C Temperaturerhöhung aus (Gay-Lussac-Gesetz). Die Dichte nimmt dadurch ab. Erwärmte Luft ist leichter und steigt nach oben z. B. im Dachgeschoss und sinkt bei Abkühlung wieder nach unten und wird am Heizkörper/Radiator wieder erwärmt.

In der Bautechnik interessiert in erster Linie die Längenänderung. Im Bauwesen werden verschiedene Materialien Fuge an Fuge eingebaut, die sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich ausdehnen und zusammenziehen. Dies kann zu Spannungen und Bauschäden, beispielsweise in Form von Rissen führen. Hier ist der Konstrukteur in hohem Maße gefordert.

Die bei einer bestimmten Temperatur mit der Einbaulänge l0 eingebauten Bauteile ziehen sich bei Abkühlung zusammen (schrump-fen) und werden bei einer Erwärmung länger (ausdehnen). Hierbei können Toleranzen il auftreten, die mit bloßem Auge wahrgenommen werden können.

Der Längenausdehnungskoeffizient a gibt an, um wie viel Meter (m) sich ein Werkstoff pro Meter (m) ausdehnt, wenn sich die Temperatur um 1 K ändert.

Die Längenausdehnungskoeffizienten a (auch als Temperaturdehnzahl bezeichnet) von im Bauwesen häufig eingesetzten Stoffen können Tabelle 2-2 entnommen werden. Die rechte Spalte gibt die Längenänderung in mm pro m und K Temperaturänderung an.

Rechnerisch kann die Längenänderung eines Werkstoffes berechnet werden:

Die gesamte Längenänderung (Schrumpfung und Dehnung) beträgt nahezu 9 mm!

Von Verdampfen wird gesprochen, wenn eine Flüssigkeit oberhalb des Siedepunktes in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Aufgrund der hohen kinetischen Energie der Teile treten Moleküle auch aus dem Inneren der Flüssigkeit heraus.

Wird beispielsweise ein Behälter mit Wasser über 100 °C (373 K) erhitzt, entweicht das Wasser nach und nach in Form von Wasserdampf. Wird eine Flüssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes gasförmig, so nennt man diesen Vorgang Verdunsten.

Da die verbleibende Flüssigkeit die Moleküle mit der höchsten Bewegungsenergie abgegeben hat bzw. die Moleküle die zum Verdunsten erforderliche Energie der Flüssigkeit entnommen haben, fällt die Temperatur ab. Dies wird Verdunstungskälte genannt.

Die Luft kann je nach Temperatur unterschiedlich viel verdunstetes Wasser (Wasserdampf) aufnehmen. Je höher die Temperatur, desto höher die Aufnahmekapazität. Ebenso gilt, je größer die Flüssigkeitsoberfläche, desto mehr Flüssigkeit verdunstet. o