Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Thermische Ausdehnung - Physik

Einleitung

Wenn Stoffe wärmer oder kälter werden, ändern sich meistens ihre Abmessungen. Diese Erscheinung heißt thermische Ausdehnung oder Wärmeausdehnung. Beim Erwärmen werden Körper in der Regel größer, beim Abkühlen kleiner. Die Verkleinerung heißt thermische Kontraktion.

Du begegnest diesem Effekt bei Brücken, Schienen, Thermometern, Heizungsrohren und Schraubdeckeln. In diesem aiMOOC lernst Du die Ursache im Teilchenmodell, wichtige Formeln und technische Anwendungen kennen.

Die Dehnungsfuge einer Brücke lässt Bauteilen Platz, damit sie sich bei Temperaturänderungen bewegen können.

Grundidee der thermischen Ausdehnung

Erklärung mit dem Teilchenmodell

Ein Stoff besteht aus Atomen oder Molekülen. In einem Festkörper schwingen die Teilchen um feste Plätze. Steigt die Temperatur, werden diese Schwingungen stärker. Der mittlere Abstand zwischen den Teilchen nimmt bei den meisten Stoffen etwas zu. Der Körper wird dadurch länger oder sein Volumen wird größer.

Beim Abkühlen bewegen sich die Teilchen weniger stark. Meist werden ihre mittleren Abstände kleiner. Der Körper zieht sich zusammen.

Wichtig: Die Teilchen selbst werden dabei nicht größer. Es ändern sich vor allem ihre Bewegungen und mittleren Abstände.

Festkörper, Flüssigkeiten und Gase

Die thermische Ausdehnung tritt bei allen Aggregatzuständen auf. Meist ist sie bei Festkörpern am kleinsten, bei Flüssigkeiten größer und bei Gasen besonders deutlich.

Bei Festkörpern unterscheidet man Längen-, Flächen- und Volumenausdehnung. Im Schulunterricht wird häufig zuerst die Längenausdehnung betrachtet.

Längenausdehnung von Festkörpern

Für einen Stab oder eine Schiene gilt näherungsweise:

$Δ L = α \cdot L_{0} \cdot Δ T$

Dabei bedeuten:

Zeichen	Bedeutung	Einheit
$Δ L$	Änderung der Länge	m
$α$	Längenausdehnungskoeffizient des Materials	$K^{- 1}$
$L_{0}$	Anfangslänge	m
$Δ T$	Temperaturänderung	K

Die neue Länge ist:

$L = L_{0} + Δ L$

Eine Temperaturdifferenz von 1 °C ist genauso groß wie eine Temperaturdifferenz von 1 K. Für $Δ T$ kannst Du deshalb bei Differenzen beide Einheiten verwenden.

Der Ausdehnungskoeffizient

Der Wert $α$ ist vom Material abhängig. Aluminium dehnt sich bei gleicher Ausgangslänge und Temperaturänderung stärker aus als Stahl. Typische Näherungswerte bei Raumtemperatur sind:

Material	$α$ in $1 0^{- 6} K^{- 1}$
Glas	ungefähr 9
Stahl	ungefähr 12
Kupfer	ungefähr 17
Aluminium	ungefähr 23

Die genauen Werte hängen unter anderem von Legierung und Temperaturbereich ab.

Rechenbeispiel: Stahlschiene

Eine 30 m lange Stahlschiene wird um 40 K wärmer. Mit $α = 12 \cdot 1 0^{- 6} K^{- 1}$ gilt:

$Δ L = 12 \cdot 1 0^{- 6} K^{- 1} \cdot 30 m \cdot 40 K$

$Δ L = 0,0144 m = 1,44 c m$

Die Schiene wird also ungefähr 1,44 cm länger. Bei langen Bauwerken können selbst kleine Ausdehnungskoeffizienten zu deutlich messbaren Längenänderungen führen.

Ein Schienenauszug ermöglicht Längenänderungen, ohne dass sich gefährliche Spannungen aufbauen.

Technische Folgen und Anwendungen

Dehnungsfugen und bewegliche Lager

Brücken, Betonflächen, Rohrleitungen und lange Schienen benötigen Platz für Temperaturänderungen. Dehnungsfugen, Rollenlager oder flexible Verbindungen gleichen die Bewegung aus. Fehlt dieser Ausgleich, können Bauteile reißen, sich verbiegen oder gegeneinander drücken.

Gleisverwerfung

Bei starker Erwärmung entstehen in fest eingespannten Schienen Druckspannungen. Werden sie zu groß, kann sich das Gleis seitlich verformen. Dieser Vorgang heißt Gleisverwerfung.

Bimetall

Ein Bimetall besteht aus zwei fest verbundenen Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Beim Erwärmen verlängert sich eine Schicht stärker als die andere. Der Streifen krümmt sich.

Bimetalle werden unter anderem in Thermostaten, Temperaturschaltern und manchen Thermometern eingesetzt.

Ausdehnung von Flüssigkeiten

Flüssigkeiten besitzen keine feste Form. Beim Erwärmen nimmt ihr Volumen meistens zu. Näherungsweise gilt:

$Δ V = γ \cdot V_{0} \cdot Δ T$

$γ$ ist der Volumenausdehnungskoeffizient. Bei einem Flüssigkeitsthermometer steigt die Flüssigkeit in einem engen Röhrchen, weil ihr Volumen mit der Temperatur zunimmt. Da sich auch das Glasgefäß ausdehnt, beobachtet man genau genommen eine scheinbare Volumenausdehnung der Flüssigkeit gegenüber dem Gefäß.

Besonderheit Wasser

Wasser zeigt zwischen 0 °C und 4 °C ein ungewöhnliches Verhalten. Es besitzt bei etwa 4 °C seine größte Dichte. Kühlt Wasser von 4 °C auf 0 °C ab, vergrößert sich sein Volumen wieder. Diese Dichteanomalie des Wassers trägt dazu bei, dass Seen im Winter von oben zufrieren.

Ausdehnung von Gasen

Gase dehnen sich bei Erwärmung besonders stark aus, wenn sie sich frei bewegen können. Bei konstantem Druck ist das Volumen eines idealisierten Gases proportional zur absoluten Temperatur:

$\frac{V_{1}}{T_{1}} = \frac{V_{2}}{T_{2}}$

Die Temperaturen müssen hier in Kelvin eingesetzt werden. Wird Luft in einem Heißluftballon erwärmt, sinkt ihre Dichte. Der Ballon kann dadurch Auftrieb erhalten.

Experimente

Kugel-Ring-Versuch

Beim Kugel-Ring-Versuch passt eine kalte Metallkugel durch einen Metallring. Wird nur die Kugel erwärmt, vergrößert sich ihr Durchmesser und sie passt nicht mehr hindurch. Nach dem Abkühlen passt sie wieder.

Sicherheit: Das Experiment mit offener Flamme und heißem Metall darf nur unter Aufsicht einer Lehrkraft durchgeführt werden. Heiße Metallteile sehen genauso aus wie kalte.

Einfacher Ballonversuch

Stülpe einen Luftballon über die Öffnung einer leeren Flasche. Stelle die Flasche zuerst in warmes und danach in kaltes Wasser. Im warmen Wasser dehnt sich die Luft in der Flasche aus und der Ballon wird größer. Im kalten Wasser zieht sich die Luft zusammen.

Verwende nur handwarmes Wasser und kein kochendes Wasser.

Merksätze

Erwärmung: Die meisten Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus.
Abkühlung: Die meisten Stoffe ziehen sich beim Abkühlen zusammen.
Materialeigenschaft: Die Stärke der Ausdehnung hängt vom Stoff ab.
Technik: Dehnungsfugen und bewegliche Lager verhindern Schäden.
Wasseranomalie: Wasser besitzt bei etwa 4 °C seine größte Dichte.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die thermische Ausdehnung? (Die Änderung von Länge, Fläche oder Volumen durch eine Temperaturänderung) (!Die Entstehung von Wärme durch Reibung) (!Die Leitung von elektrischem Strom) (!Die Änderung der Masse durch Erwärmung)

Was geschieht bei den meisten Festkörpern beim Erwärmen? (Ihre Abmessungen nehmen zu) (!Ihre Masse verschwindet) (!Ihre Teilchen werden leichter) (!Ihre Temperatur sinkt)

Welche Größe beschreibt die materialabhängige Längenausdehnung? (Der Längenausdehnungskoeffizient) (!Die elektrische Spannung) (!Die Schallgeschwindigkeit) (!Der Brechungsindex)

Welche Formel beschreibt näherungsweise die Längenänderung? (Delta L gleich Alpha mal L null mal Delta T) (!Delta L gleich Masse mal Geschwindigkeit) (!Delta L gleich Druck geteilt durch Volumen) (!Delta L gleich Stromstärke mal Widerstand)

Warum besitzt eine Brücke Dehnungsfugen? (Damit sich Bauteile bei Temperaturänderungen bewegen können) (!Damit Regenwasser die Brücke erwärmt) (!Damit die Brücke elektrischen Strom leitet) (!Damit Fahrzeuge langsamer fahren)

Warum krümmt sich ein Bimetallstreifen beim Erwärmen? (Die beiden Metalle dehnen sich unterschiedlich stark aus) (!Die beiden Metalle verlieren ihre Masse) (!Ein Metall wird gasförmig) (!Die Schwerkraft verschwindet)

Was zeigt der Kugel-Ring-Versuch? (Eine erhitzte Metallkugel besitzt einen größeren Durchmesser) (!Metall wird beim Erwärmen durchsichtig) (!Metall verliert beim Erwärmen seine Dichte vollständig) (!Eine kalte Kugel schmilzt im Ring)

Bei welcher Temperatur besitzt Wasser ungefähr seine größte Dichte? (Bei 4 Grad Celsius) (!Bei 0 Grad Celsius) (!Bei 20 Grad Celsius) (!Bei 100 Grad Celsius)

Welche Einheit hat der Längenausdehnungskoeffizient? (Pro Kelvin) (!Kilogramm) (!Meter pro Sekunde) (!Newton)

Warum steigt die Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsthermometer beim Erwärmen? (Ihr Volumen nimmt zu) (!Ihre Masse nimmt stark zu) (!Das Glas wird magnetisch) (!Die Flüssigkeit gefriert)

Memory

Thermische Ausdehnung	Größenänderung durch Temperaturänderung
Kontraktion	Zusammenziehen beim Abkühlen
Alpha	Längenausdehnungskoeffizient
Dehnungsfuge	Bewegungsraum für Bauteile
Bimetall	Zwei verbundene Metalle
Gravesande	Kugel-Ring-Versuch
Wasseranomalie	Größte Dichte bei vier Grad Celsius
Gleisverwerfung	Seitliche Verformung einer Schiene

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Längenausdehnung	Änderung der Länge eines Körpers
Volumenausdehnung	Änderung des Rauminhalts
Bimetallstreifen	Bauteil aus zwei Metallen
Dehnungsfuge	Ausgleich bei Bauwerken
Thermometerflüssigkeit	Nutzung der Flüssigkeitsausdehnung
Gleisverwerfung	mögliche Folge großer Druckspannung

Kreuzworträtsel

Dilatation	Welches Fremdwort bezeichnet eine Ausdehnung?
Bimetall	Welches Bauteil besteht aus zwei verbundenen Metallen?
Thermometer	Welches Messgerät kann Flüssigkeitsausdehnung nutzen?
Kontraktion	Wie heißt das Zusammenziehen beim Abkühlen?
Dehnungsfuge	Welches Bauelement schafft Platz für Längenänderungen?
Teilchenmodell	Welches Modell erklärt die Ausdehnung durch veränderte Teilchenbewegung?

LearningApps

Lückentext

Die Änderung der Abmessungen eines Körpers durch eine Temperaturänderung heißt

. Beim Erwärmen schwingen die Teilchen eines Festkörpers meist

. Die Längenänderung ist proportional zur Anfangslänge und zur

. Der materialabhängige Kennwert heißt

. Dehnungsfugen geben Bauteilen den nötigen

. Ein Bimetall krümmt sich, weil sich seine Metalle unterschiedlich

. Flüssigkeitsthermometer nutzen die Änderung des

. Wasser besitzt bei ungefähr vier Grad Celsius seine größte

. Gase zeigen bei Erwärmung meist eine besonders starke

.

Offene Aufgaben

Leicht

Alltagsbeobachtung: Fotografiere oder zeichne drei Stellen, an denen Platz für thermische Ausdehnung vorgesehen ist.
Begriffsnetz: Erstelle ein Begriffsnetz mit Temperatur, Teilchenbewegung, Ausdehnung und Kontraktion.
Ballonversuch: Führe den Flaschen-Ballon-Versuch mit handwarmem und kaltem Wasser durch und protokolliere Deine Beobachtung.
Erklärbild: Zeichne einen kalten und einen warmen Festkörper im Teilchenmodell.

Standard

Bimetallmodell: Baue ein ungefährliches Modell aus zwei unterschiedlich reagierenden Materialstreifen und erkläre seine Grenzen.
Brückenplanung: Entwirf eine Skizze einer Brücke mit Dehnungsfugen und beschrifte ihre Aufgabe.
Messreihe: Untersuche unter Aufsicht die Längenänderung eines Drahtes bei mehreren Temperaturen und stelle die Daten in einem Diagramm dar.
Thermometervergleich: Vergleiche Flüssigkeits-, Bimetall- und Digitalthermometer nach Funktionsweise und Einsatzgebiet.

Schwer

Materialvergleich: Berechne die Längenänderung gleich langer Stäbe aus Stahl, Kupfer und Aluminium für dieselbe Temperaturänderung.
Fehleranalyse: Erkläre, warum die gemessene Flüssigkeitsausdehnung in einem Glasgefäß nur eine scheinbare Ausdehnung ist.
Technikinterview: Befrage eine Fachperson aus Bauwesen, Heizungsbau oder Metalltechnik zur Berücksichtigung von Temperaturänderungen.
Konstruktionsaufgabe: Entwickle ein Modell für eine Rohrleitung, das eine Längenänderung zulässt, und begründe Deine Lösung physikalisch.

Lernkontrolle

Transfer Brücke: Eine lange Brücke wird im Sommer deutlich wärmer als im Winter. Erkläre, welche Kräfte ohne Dehnungsfugen entstehen könnten und wie die Konstruktion Schäden vermeidet.
Materialentscheidung: Zwei gleich lange Stäbe aus Stahl und Aluminium werden gleich stark erwärmt. Vergleiche ihre Längenänderungen und begründe die Auswahl eines Materials für ein präzises Messgerät.
Versuchsauswertung: Beim Kugel-Ring-Versuch passt die heiße Kugel nicht durch den kalten Ring. Sage voraus, was geschieht, wenn stattdessen nur der Ring erwärmt wird, und begründe.
Thermometerfehler: Ein Flüssigkeitsthermometer wird aus einem Glas mit ungewöhnlich großer Ausdehnung hergestellt. Erkläre, wie dies die Anzeige beeinflussen kann.
Wasser im Winter: Erkläre mithilfe der Dichteanomalie, warum ein tiefer See meist von oben und nicht vom Grund aus zufriert.
Rohrleitung: Plane zwei Möglichkeiten, mit denen eine lange Warmwasserleitung ihre Längenänderung ausgleichen kann, und bewerte Vor- und Nachteile.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

die thermische Ausdehnung mit dem Teilchenmodell erklären,
zwischen Längen- und Volumenausdehnung unterscheiden,
die Formel $Δ L = α \cdot L_{0} \cdot Δ T$ sicher anwenden,
Einheiten und Temperaturdifferenzen korrekt verwenden,
technische Anwendungen wie Dehnungsfuge und Bimetall erklären,
die Dichteanomalie des Wassers einordnen,
Experimente auswerten und auf neue Situationen übertragen.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Thermische Ausdehnung - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.