Was ist die Hauptursache dafür, dass sich Festkörper beim Erwärmen ausdehnen (Wärmeausdehnung)?

Lösung: A. Das interatomare Potential ist unsymmetrisch (anharmonisch), sodass der mittlere Atomabstand mit wachsender Schwingungsamplitude zunimmt

Das Potential zwischen zwei Atomen ist unsymmetrisch: Bei Annäherung steigt die Abstoßung steil an, beim Auseinanderrücken lässt die Anziehung nur allmählich nach. Wächst mit steigender Temperatur die Schwingungsamplitude, schwingen die Atome weiter zur Seite größerer Abstände aus; der mittlere Atomabstand, also der Mittelpunkt der Schwingung, nimmt zu, und das ist die Wärmeausdehnung. Wäre das Potential parabelförmig (harmonischer Oszillator), bliebe die Schwingung auch bei großer Amplitude symmetrisch zur Gleichgewichtslage; der mittlere Abstand änderte sich nicht, und es gäbe keine Wärmeausdehnung. Die Größe der Atome selbst (die Ausdehnung der Elektronenhülle) ändert sich mit der Temperatur kaum. Die Anharmonizität ist auch die Ursache der Phonon-Phonon-Streuung und hängt damit zusammen, dass die Wärmeleitfähigkeit einen endlichen Wert hat.