Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

∆ l = α · l 0 · ∆ T oder l = l 0 · (1 + α · ∆ T ) l 0 … Anfangslänge, l … Länge nach der Temperaturänderung ∆ T , α … Längenausdehnungskoeffizient. Die Tab. 83.1 enthält die Werte für die Koeffizienten der Längenausdehnung ei- niger technisch wichtiger Stoffe. Die Ausdehnung durch Erwärmung hat bei Bauwerken, vor allem bei Brücken, gro- ße Bedeutung. Bedenkt man, dass die Temperatur einer Brücke innerhalb eines Tages um etwa 40 °C schwanken kann, so ergeben sich – besonders bei Metall- brücken großer Spannweite – beträchtliche Längenänderungen. Durch den Einbau von Rollenlagern an den Enden von Brücken oder durch Dehnungsfugen muss dies berücksichtigt werden ( 83.2 ). Zu beachten ist die Wärmeausdehnung auch bei Hochspannungsleitungen, die im Betrieb 80 °C erreichen und zwischen den Masten 300m und mehr frei durchhängen. Eisenbahnschienen wiesen früher Fugen zwi- schen den Schienenstücken auf, um die Wärmeausdehnung zu kompensieren; heu- te werden sie verschweißt und so fest mit den Schwellen verschraubt, dass sie sich nicht verbiegen können: die wechselnden Temperaturen führen zur Stauchung, bzw. Dehnung der Schienen. Auch bei Bimetallstreifen wird die Wärmeausdehnung ausgenützt. Sie bestehen aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, die zusam- men gewalzt oder verlötet sind. Bimetallstreifen werden in Thermometern und als Thermoschalter verwendet, weil sie sich bei Erwärmung verbiegen und Kontakte öffnen oder schließen können. ( 83.3 ) Weitere Verfahren zur Temperaturmessung Neben der thermischen Ausdehnung wird heute vor allem die Temperaturabhän- gigkeit des elektrischen Widerstands von feinen Metalldrähten, bzw. von Halblei- terbauelementen zur Temperaturmessung genutzt. Der elektrische Widerstand von Metallen und sog. Kaltleitern nimmt mit der Temperatur zu, während sog. Heißlei- ter (z. B. Thermistoren, 83.5 links ) besonders gut im warmen Zustand leiten. Aus diesen Materialien gefertigte Messfühler, Sensoren , ermöglichen es in Kombinati- on mit elektronischen Schaltungen, Temperaturen zu messen und zu regeln. Bei- spielsweise messen Computer die Temperatur ihrer Prozessoren und steuern die Kühlung nach Bedarf, um Überhitzung zu vermeiden. Die Temperatursensoren sind wichtige Bausteine der Mess- und Regelungstechnik , die sich besonders we- gen des Umweltschutzes rasch entwickelt. Folienthermometer zum Fieberschnelltest oder als Aquarienthermometer nutzen den Farbumschlag gewisser chemischer Verbindungen, der bei Überschreiten einer Solltemperatur eintritt. Im Gegensatz zu den bisher besprochenen Verfahren funktionieren Infrarotther- mometer ( 83.4. 83.5 rechts ) berührungslos, d.h. ohne das Messobjekt zu berüh- ren. Sie ersetzen z. B. in Krankenhäusern die traditionellen Fieberthermometer. Im technischen Alltag helfen sie, überhitzte Leitungen bei elektrischen Anlagen oder Kältebrücken bei Gebäuden aufzuspüren. Sie messen die elektromagnetische Strahlung, die jede Körperoberfläche entsprechend ihrer Temperatur abstrahlt und die wir als Wärmestrahlung (infrarote Strahlung) wahrnehmen, und zeigen die entsprechende Temperatur am Display an. (Mehr zur Wärmestrahlung S. 86) Stoff α in 10 −6 K −1 Quarzglas 0,5 Fensterglas 7,6 Aluminium 23,0 Eisen 12,2 Messing 18,5 Polyamid (Nylon) 100−140 Eis 51,0 Silber 19,7 83.1 Längenausdehnungskoeffizienten α einiger praktisch wichtiger Stoffe. 83.2 Brücken werden an mindestens einer Seite auf Kompensationsrollen gestellt (linkes Bild), damit sie auf Wärmeausdehnung reagie- ren können, ohne Schäden an den Fundamen- ten anzurichten. Eisen Messing Erwärmung Kontakt Abkühlung 83.3 Wirkungsweise eines Bimetallschalters 83.4 Mit einem Infrarotthermometer lässt sich die Temperatur von Oberflächen messen. Bei gleicher Sonneneinstrahlung hat sich der helle Verputz weniger erwärmt als der dunkle. 83.5 Links: Drei Thermistoren auf einer Finger- kuppe. Diese Halbleiterbauelemente reagieren schnell auf Temperaturänderungen mit einer Änderung des elektrischen Widerstands. Rechts: Mit einem Infrarotthermometer kann die Temperatur berührungslos und punkt- genau gemessen werden. (Im Bild bei einer elektrischenAnlage, ein eingebauter Laser- pointer hilft beim Zielen.) 83 | WÄRMELEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv