Pemuaian

Kita sering mendengar kata pemuaian. Sebenarnya, apa itu pemuaian? Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena kenaikan suhu atau menerima kalor. Ada 3 jenis pemuaian jenis zat, yaitu pemuaian zat padat, pemuaian zat cair, dan pemuaian zat gas. Besarnya pemuaian zat tersebut sangat tergantung pada ukuran benda pertamanya, kenaikan suhu dan juga jenis zat. Efek pemuaian zat tersebut sangat bermanfaat didalam suatu pengembangan berbagai teknologi.

Gambar diatas menggambarkan keadaan sebuah besi sebelum dan sesudah dipanaskan. Dapat dilihat bahwa besi tersebut bertambah panjang dan lebarnya. Maka itulah salah satu bentuk pemuaian (pemuaian luas).

A. Contoh Peristiwa Pemuaian

1. Termometer

Termometer menggunakan konsep pemuaian zat cair. Ketika suhu bertambah, maka raksa dalam termometer akan mengalami pemuaian sehingga air raksa tersebut akan naik menandakan berapa suhu saat itu. Demikian sebaliknya ketika suhu turun, air raksa akan mengalami penyusutan.

2. Balon Udara

Balon udara menggunakan konsep pemuaian. Apabila dipanaskan, energi gerak molekul akan semakin besar dan tekanan gasnya juga akan lebih besar. Sehingga udara yang panas akan mendesak naik ke atas, mencari udara yang lebih dingin.

3. Pemasangan jaringan telepon

Kabel jaringan telepon jika dilihat selalu longgar karena untuk mengantisipasi terjadinya pemuaian pada siang hari dan penyusutan kabel pada malam hari.

4. Pemasangan Rel Kereta Api

pemasangan sambungan rel kereta api yang memiliki celah bertujuan agar rel tidak membengkok apabila mengalami pemuaian dan pertambahan panjang. Panjang celah antar sambungan harus diukur sehingga tidak kurang antara panjang celah dan pertambahan panjang ketika memuai.

5. Kaca

Setiap pemasangan kaca, pasti pada ujung bingkai, selalu diberikan sedikit jarak atau ruang pada bagian tepi. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi pecahnya kaca ketika terjadi pemuaian kaca pada siang hari.

B. Jenis-Jenis Pemuaian Zat

1. Pemuaian Zat Padat

a. Pemuaian Panjang

Pemuaian panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali.

Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu. Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda atau jenis bahan. Alat untuk mengukur muai panjang adalah Muschenbrock.

· Rumus:

Δl = l_o . α . ΔT

Δl = l_t – l₀

l_t = l_o( 1 + α . ΔT )

ΔT = T_t – T₀

Keterangan:

Δl : perubahan panjang

l_t : panjang setelah pemuaian

l_o : panjang sebelum pemuaian

α : koefisien muai panjang / kofisien muai linier

ΔT : besarnya perubahan suhu

T_t : suhu setelah pemuaian

T₀ : suhu sebelum pemuaian

· Tabel Koefisien Muai (α)

LATIHAN 1

1. Sebatang baja bersuhu 15^oC memiliki panjang 40 cm. Koefisien muai panjang baja 10^-5 ^oC^-1. Pertambahan panjang baja dan panjang akhir baja pada suhu 65^oC adalah … .

2. Ketika bersuhu 50^oC panjang kaca adalah 100 cm. Setelah dipanaskan, panjang kaca menjadi 100,09 cm. Koefisien muai panjang kaca α = 9 x 10^-6 C^-1. Suhu akhir kaca adalah … .

PEMBAHASAN :

1. Diketahui :

ΔT = 65^oC – 15^oC

= 50^oC

l₁ = 40 cm

α = 10^-5 ^oC^-1

Ditanya : Δl dan l₂

Jawab :

Δl = α l₁ΔT

Δl = (10^-5 ^oC^-1)(40 cm)(50^oC)

Δl = (10^-5)(2 x 10³) cm

Δl = 2 x 10^-2 cm

Δl = 2 / 10² cm

Δl = 2 / 100 cm

Δl = 0,02 cm

l₂ = l₁ +Δl

l₂ = 40 cm + 0,02 cm

l₂ = 40,02 cm

2. Diketahui :

l₁ = 100 cm

l₂ = 100,09 cm

Δl = 100,09 cm – 100 cm

= 0,09 cm

α = 9 x 10^{-6 o}C^-1

T₀ = 50^oC

Ditanya : T_t

Jawab :

Δl = α l₁ ΔT

Δl = α l₁ (T_t – T₀)

0,09 = (9 x 10^-6 ^oC)(100 cm)(T_t – 50 ^oC)

0,09 = (9 x 10^-4)(T_t – 50)

0,09 / (9 x 10^-4) = T_t – 50

0.01 x 10⁴ = T_t – 50

100 = T_t – 50

T_t = 100 + 50

T_t = 150^oC

Suhu akhir kaca adalah 150^oC.

A. Pemuaian Luas

Pemuaian luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada. Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang lebar sekali dan tipis.

Seperti halnya pada pemuian panjang, faktor yang mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Pada perguruan tinggi nanti akan dibahas bagaimana perumusan sehingga diperoleh bahwa koefisien muai luas sama dengan 2 kali koefisien muai panjang.

· Rumus:

ΔA = A₀ . β . ΔT

ΔA = A_t – A₀

A_t = A_o( 1 + β . ΔT )

ΔT = T_t – T₀

β = 2 . α

Keterangan:

ΔA : perubahan luas

A_t : luas setelah pemuaian

A_o : luas sebelum pemuaian

α : koefisien muai panjang / kofisien muai linier

β : koefisien muai luas

ΔT : besarnya perubahan suhu

T_t : suhu setelah pemuaian

T₀ : suhu sebelum pemuaian

LATIHAN 2

1. Selembar baja pada suhu 40^oC memiliki panjang 100 cm dan lebar 60 cm. Jika koefisien muai panjang baja 10^-5 ^oC^-1 maka pertambahan luas dan luas total pada suhu 120^oC adalah….

PEMBAHASAN :

1. Diketahui :

T₁ = 40^oC

T₂ = 120^oC

ΔT = 120^oC – 40^oC

= 80^oC

A₀ = panjang . lebar

= 100 cm x 60 cm = 6000 cm²

α = 10^-5^oC^-1

β = 2 α

= 2 x 10^-5 ^oC^-1

Ditanya : ΔA dan A_t

Jawab :

ΔA = β . A₁ . ΔT

ΔA = (2 x 10^-5 ^oC^-1)(6000 cm²)(80^oC)

ΔA = (160 x 10^-5)(6000 cm²)

ΔA = 960.000 x 10^-5 cm²

ΔA = 9,6 x 10⁵ x 10^-5 cm²

ΔA = 9,6 cm²

A_t = A₀ +ΔA

A_t = 6000 cm² + 9,6 cm²

A_t = 6009,6 cm²

B. Pemuaian Volume

Pemuaian volume adalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang. Sebagaimana yang telah dijelskan diatas bahwa khusus gas koefisien muai volumenya sama dengan 1/273.

Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume dan volume akhir suatu benda tidak jauh beda pada perumusan sebelum. Hanya saja beda pada lambangnya saja.

· Rumus:

ΔV = V₀ . γ . ΔT

ΔV = V_t – V₀

V_t = V_o( 1 + γ . ΔT )

ΔT = T_t – T₀

γ = 3 . α

Keterangan:

ΔV : perubahan volume

V_t : volume setelah pemuaian

V_o : volume sebelum pemuaian

α : koefisien muai panjang / kofisien muai linier

γ : koefisien muai volume

ΔT : besarnya perubahan suhu

T_t : suhu setelah pemuaian

T₀ : suhu sebelum pemuaian

LATIHAN 3

1. Bola pejal terbuat dari aluminium dengan koefisien muai panjang 24 x 10-6 ^oC-1. Jika pada suhu 30^oC volume bola adalah 30 cm³ maka agar volume bola itu bertambah menjadi 30,5 cm³, bola tersebut harus dipanaskan hingga mencapai suhu….. ^oC

2. Bola berongga terbuat dari kaca mempunyai koefisien muai panjang 9 x 10-6 ^oC-1. Pada suhu 20^oC diameter dalam bola adalah 2,2 cm. Apabila diameter dalam bola bertambah menjadi 2,8 maka suhu akhir adalah….

PEMBAHASAN :

1. Diketahui :

α = 24 . 10^-6 ^oC^-1

γ = 3 α = 3 x 24 x 10^-6 ^oC^-1 = 72 x 10^-6 ^oC^-1

T₀ = 30^oC

V₀ = 30 cm³

V_t = 30,5 cm³

ΔV = 30,5 cm³ – 30 cm³

= 0,5 cm³

Ditanya : T_t

Jawab :

ΔV = γ (V₀)(ΔT)

ΔV = γ (V₀)(T_t – T₀)

0,5 cm³ = (72 x 10^-6 ^oC^-1)(30 cm³)(T_t – 30^oC)

0,5 = (2160 x 10^-6)(T_t – 30)

0,5 = (2,160 x 10^-3)( T_t – 30)

0,5 / (2,160 x 10^-3) = T_t – 30

0,23 x 10³ = T_t – 30

0,23 x 1000 = T_t – 30

230 = T_t – 30

230 + 30 = T_t

T_t = 260^oC

2. Diketahui :

α = 9 x 10^-6 ^oC^-1

γ = 3 α

= 3 x 9 x 10^-6 ^oC^-1

= 27 x 10^{-6 o}C^-1

T₀ = 20^oC

d₀ = 2,2 cm

d_t = 2,8 cm

r₀ = d₀ / 2

= 2,2 cm³ / 2

= 1,1 cm³

r_t = d_t / 2

= 2,8 cm³ / 2

= 1,4 cm³

V₀ = 4/3 π r₀³

= (4/3)(3,14)(1,1 cm)³

= (4/3)(3,14)(1,331 cm³)

= 5,57 cm³

V_t = 4/3 π r_t³

= (4/3)(3,14)(1,4 cm)³

= (4/3)(3,14)(2,744 cm³)

= 11,48 cm³

ΔV = 11,48 cm³ – 5,57 cm³

= 5,91 cm³

Ditanya : T_t

Jawab :

ΔV = γ (V₀)(ΔT)

5,91 cm³ = (27 x 10^-6 ^oC-1)(5,57 cm³)(T_t – 20^oC)

5,91 = (150,39 x 10^-6)(T_t – 20)

5,91 / 150,39 x 10^-6 = T_t – 20

0,039 x 10⁶ = T_t – 20

39 x 10³ = T_t – 20

39000 = T_t – 20

39000 + 20 = T_t

T_t = 39020^oC

2. Pemuaian Zat Cair

Pada zat cair pemuaian yang terjadi hanya pemuaian volume, tidak ada pemuaian panjang dan luas. Ini terkait dengan sifat dar zat cair sendiri yang bentuknya berubah-ubah sesuai dengan bentuk wadah yang ditempatinya. Sebuah contoh penerapan dalam kehidupan sehari-hari adalah sebuah panci yang diisi dengan air kemudian dipanaskan. Beberapa saat kemudian akan ada air yang tumpah dari panci tersebut.

· Tabel Koefisien Muai (α)

· Anomali air

Pada umumnya, zat cair memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Tetapi hal tersebut tidak berlaku pada air jika dipanaskan dari 0^oC sampai 4^oC. Keanehan itu disebut anomali air (keanehan pemurnian air). Air jika dipanaskan dari 0^oC sampai 4^oC akan menyusut dan jika didinginkan 4^oC sampai 0^oC. Dari hal ini dapat ditarik kesimpulan bahwa volume air paling kecil dan massa jenis paling besar pada 4^oC.

3. Pemuaian Zat Cair

Gas juga megalamai pemuaian layaknya pada pemuaian zat cair dan zat padat. Khusus untuk pemuaian zat ini agak berbeda dengan pemuaian zat padat dan pemuaian zat cair. Ada satu variabel yang sangat menentukan pemuaian zat gas yaitu tekanan. Khusus pemuaian gas, koefisien muai volumenya sama dengan 1/273.

· Rumus:

ΔV = V₀ . γ . ΔT

ΔV = V_t – V₀

V_t = V_o( 1 + γ . ΔT )

ΔT = T_t – T₀

Keterangan:

ΔV : perubahan volume

V_t : volume setelah pemuaian

V_o : volume sebelum pemuaian

γ : koefisien muai volume

ΔT : besarnya perubahan suhu

T_t : suhu setelah pemuaian

T₀ : suhu sebelum pemuaian

· Pemuaian gas dibagi menjadi 3 yaitu:

A. Pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal)

Hukum Boyle

Gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap.

“Tekanan mutlak suatu gas pada volume konstan berbanding lurus dengan suhu mutlak gas tersebut.”

· Rumus:

PV = tetap

atau

P₁V₁ = P₂V₂

Keterangan:

P: tekanan gas (atm)

V: volume gas (L)

B. Pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar)

Hukum Gay Lussac

Gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas.

“Tekanan mutlak suatu gas pada volume konstan berbanding lurus dengan suhu mutlak gas tersebut.”

· Rumus:

C. Pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik)

Hukum Boyle-Gay Lussac

jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya.

· Rumus:

C. Penerapan Pemuaian Zat

A. Penerapan Prinsip Pemuaian Zat Dalam Bidang Konstruksi

Para ahli konstruksi dan arsitek bangunan, jembatan, dan jalan raya harus mengetahui sifat pemuaian dan penyusutan benda padat yang disebabkan oleh perubahan suhu. Jalan raya pada musim kemarau banyak yang rusak dan retak-retak, karena pemuaian baja dan aspalnya. Jembatan dan jalan raya dibuat dari besi baja yang saling disambungkan satu dengan yang lainnya. Selama proses penyambungan, ahli konstruksi harus benar-benar memperhitungkan sifat pemuaian dan penyusutan besi baja karena adanya perubahan suhu, baik di siang hari yang panas maupun di malam hari yang dingin.

Agar sambungan besi baja tidak melengkung akibat pemuaian atau pun penyusutan maka sambungan-sambungan besi baja tidak dipasang rapat, satu dengan yang lainnya. Harus ada rongga yang cukup di antara sambungan-sambungan tersebut agar tidak timbul kerusakan pada jembatan dan jalan yang disebabkan pemuaian dan penyusutan besi baja tersebut.

B. Penerapan Prinsip Pemuaian Zat Dalam Bidang Teknologi Transportasi

Apabila kita melewati lintasan kereta api kami akan melihat rel melengkung. Sebagaimana halnya dengan jembatan dan jalan raya, besi baja yang digunakan untuk rel kereta api pun harus dipasang renggang berongga untuk mencegah terjadinya kecelakaan kereta api yang disebabkan oleh relnya melengkung akibat pemuaian dari pemanasan di siang hari.

Selain pada rel kereta api, cara pemasangan ban roda lori kereta api pun menggunakan prinsip pemuaian. Sebelum dipanaskan, ukuran diameter ban sedikit lebih kecil daripada diameter rodanya. Apabila ban akan dipasang, harus dipanaskan terlebih dahulu supaya memuai. Selanjutnya, masukkan ban tersebut ke dalam roda. Setelah masuk, biarkan suhunya turun. Setelah dingin, ban menyusut dan akan melekat kuat pada rodanya, tanpa harus menggunakan baut.

C. Penerapan Prinsip Pemuaian Zat Dalam Teknologi Bimetal

Bimetal adalah alat yang terdiri dari dua logam yang berbeda nilai koefisien muai panjangnya atau yang berbeda kecepatan pemuaiannya, direkatkan menjadi satu. Misalnya bimetal terbuat dari besi dan tembaga sebelum dipanaskan bimetal itu dalam keadaan lurus kemudian setelah dipanaskan, bimetal akan melengkung ke arah logam (besi) yang nilai koefisien muai panjangnya kecil atau lambat memuai. Selanjutnya, apabila bimetal didinginkan akan melengkung ke arah logam (tembaga) yang nilai koefisien muai panjangnya besar atau cepat memuai. Alat-alat teknologi yang menggunakan prinsip bimetal, antara lain termostat, sakelar otomatis pada setrika, alat pemberitahu kebakaran, dan termometer.

LATIHAN 4

1. Perhatikan gambar alat alarm kebakaran dan tabel koefisien muai panjang zat berikut ini!

No	Jenis zat	Koefisien muai panjang
1	Kuningan	0,000019 / ºC
2	Besi	0,000012 / ºC
3	Tembaga	0,000018 / ºC
4	Baja	0,000011 / ºC

Maka kemungkinan terbesar pasangan jenis zat (a) dan (b) adalah…

PEMBAHASAN :

1. (a)= Kuningan. Karena memiliki koefisien muai panjang pasing besar

(b)= Baja. Karena memiliki koefisien muai panjang paling kecil dan jika bimetal dipanaskan, pasti aja melengkung ke jenis zat dengan koefisien muai lebih kecil.

E. Termostat

Ruangan hotel-hotel mewah yang terdapat di daerah sejuk atau dingin, seperti di kawasan Puncak-Bogor, Lembang-Bandung, atau daerah lainnya memiliki pengaturan panas ruangan. Model termostat dapat kita lihat pada gambar. Apabila udara di ruangan dingin, lempengan bimetal akan menyusut, lurus, dan menyentuh lempengan logam biasa sehingga kedua ujung lempengan tersebut saling bersentuhan. Sentuhan antara kedua ujung logam itu menjadikan adanya kontak dengan arus listrik, arus listrik masuk dan rangkaian pemanas tertutup yang menyalakan pemanas sehingga ruangan menjadi hangat. Sebaliknya, apabila ruangan telah cukup hangat, maka lempengan bimetal akan mengembang dan kembali ke posisi semula, yaitu membengkok, tidak kontak dengan arus listrik, arus listrik terputus, sehingga rangkaiannya terbuka, pemanas terputus, dan pemanasan ruangan selesai.

F. Sakelar Otomatis pada Setrika Otomatis

Suhu pada setrika secara otomatis, maka disebut setrika otomatis. Pada setrika otomatis terdapat alat untuk memutuskan dan menghubungkan arus listrik secara otomatis, yang disebut sakelar otomatis. Prinsip kerja sakelar otomatis dapat kita amati pada gambar. Apabila suhu sudah cukup tinggi, bimetal akan melengkung menjauhi kontak (K), arus listriknya putus, setrika akan menjadi dingin. Ketika dingin, bimetal menyentuh kontak (K), maka arus listrik mengalir kembali, sehingga setrika kembali panas.

G. Alat Pemberitahu Kebakaran

Apabila ada kenaikan suhu di sekitar alat ini, bimetal menyentuh kontak sehingga arus listrik mengalir menuju bel listrik. Bel listrik akan berbunyi, yang menkitakan ada kebakaran atau panas.

H. Termometer Bimetal

Termometer ini terbuat dari bimetal yang melengkung. Salah satu ujungnya dijepit sehingga tidak dapat bergerak. Ujung yang satunya lagi bebas bergerak dan dihubungkan dengan jarum penunjuk. Apabila suhu naik, bimetal menjadi lebih melengkung. Jarum penunjuk bergerak ke kanan. Sebaliknya apabila suhu turun, bimetal menjadi lebih lurus. Jarum bergerak ke kiri.

I. Cara Pemasangan Kaca Jendela

Tentunya kita pernah menyaksikan tukang kayu pada saat membuat daun jendela atau bingkai jendela. Pada bingkai ada celah yang dibuat untuk menempatkan kaca. Kaca dipasang pada bagian itu dengan ukuran kaca lebih kecil sedikit daripada ruang atau tempat kaca. Hal ini bertujuan untuk menjaga keamanan kaca agar tidak pecah, saat mengalami pemuaian pada siang hari atau pada musim kemarau.

D. Sumber

· http://www.johanakhmadin.web.id/2015/11/contoh-soal-pemuaian-dan-pembahasannya.html

· https://gurumuda.net/contoh-soal-pemuaian-panjang.htm

· http://modulfisika.blogspot.co.id/2010/02/kelas-vii-pemuaian-zat.html

· http://www.berpendidikan.com/2015/06/contoh-soal-pemuaian-panjang-luas-dan-volume.html

· https://alljabbar.wordpress.com/2008/03/30/pemuaian/

· http://ilmualam.net/bunyi-hukum-gay-lussac.html

· http://informasiana.com/apa-itu-anomali-air/

· http://www.berpendidikan.com/2015/12/bunyi-hukum-boyle-pengertian-rumus-dan-contoh-soal-hukum-boyle-serta-penerapannya.html

· https://gurumuda.net/contoh-soal-hukum-boyle-isotermalsuhu-konstan.htm

· http://www.zakapedia.com/2013/12/pemuaian-gas-hukum-boyle-gay-lussac.html

· http://fisikazone.com/penerapan-prinsip-pemuaian-zat-dalam-kehidupan/