We hebben gezien dat vaste stoffen en gassen uitzetten als ze verwarmd worden, maar hoe zit het met gassen? Antwoord: vloeistoffen vormen geen uitzondering – ze zetten ook uit als je ze verhit.
Hoe water beweegt, is mede afhankelijk van de temperatuur. De meeste materie zet uit wanneer het wordt verwarmd, en krimpt als het afkoelt. Voor water geldt dit alleen bij temperaturen tussen 4°C en 100°C (kookpunt). Tussen het vriespunt (0°C) en 4°C zet water uit, wanneer het wordt afgekoeld.
Thermische uitzetting of thermische expansie is het uitzetten (of anderszins van vorm veranderen) van materialen onder invloed van een stijging van de temperatuur. Hoe sterk een materiaal uitzet, hangt af van het materiaal, maar ook van de temperatuur en de omgevingsdruk.
Als we de vaste stof verwarmen, dan gaan de moleculen steeds harder trillen. Als het smeltpunt bereikt is, dan gaan de moleculen zo hard trillen, dat ze niet meer op hun vaste plek kunnen blijven zitten. Hoewel de moleculen nog steeds dicht tegen elkaar aan liggen, beginnen de moleculen nu langs elkaar te bewegen.
Op wikipedia staat een lijstje met uitzettingscoëfficiënten van diverse vloeistoffen: Kubieke uitzettingscoëfficiënt, γ van enkele vloeistoffen Stof γ in 10-3/K bij 20°C Alcohol (Ethanol) 1,10 Aceton (Propanon) 1,43 Benzine 1,06 Benzeen 1,23 Chloroform (Trichloormethaan) 1,28 Azijnzuur 1,07 Ether 1,62 Kwik 0,18 ...
Zuiver water heeft een stolpunt van exact 0°C. Bij het bevriezen vermindert de dichtheid van water: water zet uit bij bevriezing. De meeste andere stoffen hebben in vaste vorm juist een hogere dichtheid dan in vloeibare vorm: bij stolling krimpen ze in.
Elke stof smelt bij een bepaalde temperatuur: het zogenaamde smeltpunt. Zo is het smeltpunt van ijs 0 oC (nul graden celsius). Zie de onderstaande tabel. Omgekeerd gaat een vloeistof, als deze wordt afgekoeld, stollen.
Als we de vaste stof verwarmen, dan gaan de moleculen steeds harder trillen. Als het smeltpunt bereikt is, dan gaan de moleculen zo hard trillen, dat ze niet meer op hun vaste plek kunnen blijven zitten. Hoewel de moleculen nog steeds dicht tegen elkaar aan liggen, beginnen de moleculen nu langs elkaar te bewegen.
Houdt rekening met een maximale uitzetting van slechts 1 mm per meter, dus maximaal 6 mm op 6 meter (uitzettingscoëfficiënt 0,026mm/m/ºC).
De reden hiervan is dat elektronen zonder enige 'moeite' van het ene atoom naar het andere kunnen bewegen. Door twee verschillende metalen met elkaar te verbinden m.b.v. het lasproces kan men thermische vermoeiing krijgen zodra deze twee metalen een groot verschil hebben in uitzettingscoëfficiënt.
De uitzettingscoëfficiënt van aluminium bedraagt 28,8. 10-6/ºC, hetgeen bij een temperatuurverschil van 50 ºC een lineaire uitzetting van ± 1 mm per meter profiel betekent.
Je kunt uitleggen waarom stoffen uitzetten (groter worden) wanneer de temperatuur toeneemt. Moleculen willen meer bewegen, hebben hiervoor meer ruimte nodig. Hiervoor moet de ruimte tussen de moleculen toenemen. De stof wordt hierdoor groter.
De eenheid Kelvin (symbool K) is de temperatuur in graden Celcius waarbij je 273 bij optelt. Dit betekent dat als het water met 1 graad toeneemt (ΔT = 1 K), de relatieve volumeverandering ΔV/V = 2.1 tienduizendsten bedraagt. Het water zal dus 0.02 % uitzetten bij een temperatuursverhoging van 20 naar 21 graden Celsius.
Een metaal begint te smelten wanneer de temperatuur gelijk is aan het smeltpunt. Voor ijzer is dat bijvoorbeeld 1538 °C. Het metaal met het hoogste smeltpunt is wolfraam (3422 °C). Het metaal met het laagste smeltpunt is kwik (-38,8 °C).
Wolfraam is de beste als het aankomt op hittebestendigheid: het heeft het hoogste smeltpunt van alle metalen met 3422°C. Hierdoor is het uitermate geschikt voor toepassingen met zeer hoge temperaturen.
Kaarsvet is een mengsel. Er zitten meerdere soorten vet doorheen. En soms kleur- en geurstoffen. Het smeltpunt is dan niet één temperatuur, maar bijvoorbeeld tussen de 42 en 55 graden.
IJs bestaat uit kristallen met zes hoeken. Door deze vorm zit er veel lege ruimte in het ijs. In vloeibaar water was deze lege ruimte er niet. Daarom zet het water uit als het bevriest en ijs wordt.
Bij het absolute nulpunt zijn alle stoffen vast. Voor elke stof kun je het vriespunt en kookpunt opzoeken. Toegevoegd na 23 uur: Ik word terecht gecorrigeerd dat helium zelfs rond het absolute nulpunt bij een normale druk nog vloeibaar is.
Simon vervolgt: 'Wanneer het water afkoelt, gaan de moleculen steeds minder bewegen. Hierdoor neemt het effect van de afstotende en aantrekkende krachten tussen de atomen toe. De moleculen gaan zich spontaan ordenen – beschouw het als een soort legpuzzel! Er ontstaan zeshoekige patronen, met in het midden lege ruimtes.
Ten opzichte van andere metalen zoals staal en RVS heeft aluminium een relatief hoge lineaire uitzetting. Zo zet aluminium bij een gelijk temperatuurverschil meer uit dan staal. Dit betekent dat men bij de inzet van aluminium sterker rekening dient te houden met de lineaire uitzetting van het materiaal.
Wanneer je een vloeistof warm maakt, zal hij gaan uitzetten. Er is een uitzondering. Water zet ook uit als het kouder wordt. Als water ijs wordt, komt er meer ruimte tussen de moleculen.
Handig om te weten: polycarbonaat heeft een uitzettingsgraad van 0,065 millimeter per meter per graad Celsius. Dit is niet erg, zolang je er tijdens het bewerken maar rekening mee houdt. Maak je montagegaten ruim genoeg. Zo voorkom je dat de bout of schroef klem gaat zitten als de plaat uitzet.