Wärmeausdehnung

An einem heißen Sommertag hängen Stromleitungen sichtbar durch, Brücken werden ein Stückchen länger und der Eiffelturm ist rund 15 cm höher als an einem kalten Wintertag. Niemand baut daran, die Hitze allein erledigt das. Fast alle Stoffe dehnen sich aus, wenn sie wärmer werden, und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen. Dieser Effekt heißt Wärmeausdehnung, und er ist so zuverlässig, dass Ingenieure ihn bei jeder Brücke und jedem Gleis einplanen müssen.

Zappelnde Teilchen brauchen Platz

Alles besteht aus winzigen Teilchen, die ständig zittern und wackeln. Je wärmer ein Stoff wird, desto heftiger zappeln sie und desto mehr Platz beanspruchen sie im Schnitt um sich herum. Die Teilchen selbst werden dabei kein bisschen größer, sie halten nur mehr Abstand zueinander, und dadurch wächst das ganze Material ein winziges Stück. Bei einem kurzen Stab ist das kaum zu sehen, bei großen Bauwerken summiert es sich: Ein 1 km langes Stahlgleis, das sich frei ausdehnen darf, wird um etwa einen halben Meter länger, wenn es sich um 40 °C erwärmt.

Tricks der Ingenieure

Weil sich Stahl und Beton nicht aufhalten lassen, gibt man ihnen Platz. Zwischen älteren Schienenstücken ließ man kleine Lücken, daher das berühmte Klick-Klack alter Zugfahrten. Heute werden Schienen stattdessen verschweißt und so fest verankert, dass sie sich kaum bewegen können. Brücken bekommen Dehnungsfugen, oft kammartige Metallfinger, über die du am Anfang einer Brücke fährst.

Manchmal ist die Ausdehnung sogar der Trick selbst. Besonders schlau ist der Bimetallstreifen: zwei Metalle, die sich unterschiedlich stark ausdehnen, fest aufeinander gewalzt. Wird er warm, biegt er sich zur Seite und kann dabei einen Kontakt öffnen. So schalten sich Bügeleisen und Wasserkocher von selbst ab. Und den festsitzenden Marmeladendeckel bekommst du unter heißem Wasser auf, weil sich der Metalldeckel stärker ausdehnt als das Glas darunter.

Ein Stoff hält sich nicht an die Regel, ausgerechnet der wichtigste: Wasser. Kühlst du Wasser ab, zieht es sich wie erwartet zusammen, aber nur bis rund 4 °C. Wird es noch kälter, dehnt es sich wieder aus, und beim Gefrieren braucht Eis rund 9 % mehr Platz als flüssiges Wasser, genug, um volle Flaschen und Wasserleitungen zu sprengen. Deshalb schwimmt Eis oben, und deshalb friert ein See von der Oberfläche her zu: Das dichteste Wasser mit rund 4 °C sinkt auf den Grund, dort überwintern die Fische unter einer schützenden Eisdecke. Ohne diese Anomalie des Wassers würden Seen vom Grund her durchfrieren, und Leben im Wasser hätte es deutlich schwerer.