Wat is het verband tussen de massadichtheid van een stof en haar uitzetting?

Antwoord

Helaas bestaat er geen eenvoudige relatie tussen de massadichtheid van een materiaal en de thermische expansie coëfficiënt. 

Eerst een kleine correctie van het voorbeeld. De dichtheid van lucht is 28.96 g/mol, terwijl deze van alcohol (of ethanol) 46.07g/mol is (zelfs voor methanol is deze 32.04 g/mol). Dus lucht zou hier de grotere expansie moeten vertonen (in gasvorm). Tenzij je eerder aan vloeibare alcohol (0.789g/cm³) dacht, in welk geval water(1g/cm³) een beter tegenhanger is dan lucht (0.87 g/cm³ bij een temperatuur lager dan -196°C, dus niet zo praktisch). De thermische expansie-coefficienten van water en alcohol zijn respectievelijk 207x10E-6/°C en 750x10E-6/°C bij 20°C. In dit geval zie je dat alcohol een grotere uitzetting zal vertonen dan water.

Dit is echter een simpel paar stoffen bij één specifieke temperatuur. Je kan dit niet zomaar veralgemenen, er zijn immers heel wat zaken die het leven moeilijk maken.

Een paar interessante puntjes om hierbij in gedachten te houden:

• Een gas (in tegenstelling tot een vloeistof of vaste stof) heeft geen eigen begrenzing. Stop je een gas niet in een vat (of een ballon) dan zal het zonder weerstand uitdijen. De volume vergroting die je observeert bij het opwarmen van een gast is het gevolg van een verhoging van de druk in dit gas (door verhoging van de kinetische energie van de gasdeeltjes). In een vloeistof of een vaste stof dien je de uitzetting eerder te zien als uitrekking van de vaste stof/vloeistof zelf.
• Bij de expansie van een (ideaal) gas speelt de massadichtheid eveneens geen rol : (ideale gaswet) p*V=nRT , hieruit volgt dat voor 1 mol H₂ gas bij 20°C en 1 atmosfeer druk je hetzelfde volume hebt als voor 1 mol O₂ gas. (de laatste is 16x zwaarder dus 16x hogere massadichtheid)
• Er zijn heel wat stoffen die in een bepaald temperatuursinterval even een negatieve thermische expansie hebben (i.e. ze krimpen) Denk bvb aan water. 1kg water van 0°C heeft een groter volume dan 1kg water aan 4°C (dit is de reden dat er vaak nog een bodempje water vloeibaar is in een bevroren vijver).
• Er bestaan ook ademende materialen. Een specifieke klasse hiervan zijn ademende metaal-organische raamwerken (MOFs is het Engelse acroniem). Sommige van deze materialen zien eruit als wijnrekjes (zie bijgevoegde figuur) welke kunnen open en dichtklappen door onder andere temperatuursvariaties. Deze volumeveranderingen kunnen makkelijk 50% of meer zijn. 

Hoe een materiaal uitzet onder invloed van de temperatuur is een zeer complex geheel dat voor een deel afhangt van hoe warmtetrillingen (fononen) zich door het materiaal kunnen bewegen. Daar komt verder nog bij dat sommige materialen meer dan één mogelijke kristalstructuur hebben, waardoor je bruuske overgangen in het volume kan zien tijdens de opwarming (of afkoeling: zie bv. tinpest die in de middeleeuwen Europese orgelpijpen de das omdeed).