PEMUAIAN

 I. Preview

Q : Bagaimana pemuaian dapat terjadi?
A : Jika sebuah benda dipanasi, maka partikel-partikelnya akan bergetar lebih kuat, cepat dan bebas sehingga diperlukan ruang lebih, maka terjadilah pemuaian.
Sebaliknya, jika benda didinginkan, getaran-getaran partikel lebih lemah dan partikel-partikel tersebut menjadi saling mendekat satu sama lain sehingga benda menyusut.

Gambar : Perubahan volume benda akibat dari perubahan suhu benda.

Dengan kata lain zat akan memuai bila suhunya bertambah dan akan menyusut bila suhunya berkurang. Pemuaian di alami oleh zat padat, zat cair dan gas.



II. Permasalahan yang Timbul karena Pemuaian
 
Pemuaian dapat menimbulkan masalah dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini adalah contoh masalah dan cara mengatasinya:

1. Pemasangan kabel listrik/telepon jika dilakukan di siang hari harus memperhatikan pengerutan pada malam hari, agar saat menyusut kabel/kawat tidak putus.
2. Pemasangan kaca jendela dan bingkainya harus dibuat agak longgar agar saat memuai kaca tidak pecah.
3. Sambungan antar rel kereta diberi ruang muai agar saat besi memuai rel tidak bengkok.
4. Pada mesin kendaraan bermotor dipilih logam yang tahan panas dan koefisien muainya kecil agar saat terjadi pemuaian tidak mengganggu kinerja mesin.

III. Penerapan Prinsip Pemuaian yang Menguntungkan

Selain menimbulkan permasalahan, pemuaian juga memberi keuntungan. Contohnya adalah:

• Pemasangan bingkai besi roda kereta api
• Balon udara
• Termometer zat cair
• Bimetal

Bimetal dapat digambarkan sebagai dua keping logam yang angka muai panjangnya berbeda-beda dan dikeling atau digabung menjadi satu. Bila bimetal dipanaskan maka akan melengkung ke arah logam yang angka muainya kecil.
Penggunaan bimetal antara lain: sebagai saklar otomatis, termostat, termometer bimetal.

Gambar bimetal:



A. Pemuaian Zat Padat

Pemuaian zat padat dapat ditinjau dari pemuaian panjang, luas, volume.

• Muai Panjang

Muai panjang suatu benda dapat diamati dengan alat MUSSCHENBROEK.

Alat Musschenbroek dapat menunjukkan:

1. pemuaian dan pertambahan panjang zat padat
2. pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu sendiri
3. pemuaian zat padat sebanding dengan suhunya.

Koefisien muai panjang (α: alpha) adalah : bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang suatu benda jika suhunya dinaikkan 1°C tiap satuan panjang.

Rumus Muai Panjang :

Contoh Soal :
Suatu batang logam pada suhu 10°C memiliki panjang 100 cm. Tentukan panjang tersebut pada suhu 310°C jika α = 0,000012 /°C.

Diketahui :
Lo = 100
∆t = 300°C

Ditanya : L = ?

Jawab :
L = Lo (1 + α ∆t)
L = 100 (1 + {0,000012 x 300})
L = 100 (1 + 0,0036)
L = 100 x (1,0036)
L = 100,36 cm

Jadi, panjang batang logam setelah dipanaskan adalah 100,36 cm.

• Muai Luas

Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang.
Contoh muai luas adalah memuainya kaca jendela pada saat panas.

Koefisien muai luas (β: beta) adalah : bilangan yang menunjukkan pertambahan luas suatu benda jika suhunya dinaikkan 1°C tiap satuan luas.
β = 2α (koefisien muai luas = 2 x koefisien muai panjang)

Rumus Muai Luas :

Contoh Soal :
Suatu plat aluminium berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm pada suhu 25°C. Koefisien
muai panjang aluminium 0,000012 /°C. Tentukan pertambahan luas plat tersebut jika dipanasi hingga suhu 125°C!

Diketahui :
So = 20 cm
∆T = 125 - 25 = 100°C
α = 0,000012 /°C

Ditanya : ∆A = ?

Jawab :
Ao = So x So
Ao = 20 cm x 20cm
Ao = 400 cm2

β = 2 α
β = 2 x 0,000012 = 0,000024 /°C

∆A = Ao.β.∆T
∆A = 400 x 0,000024 x 100
∆A = 0,96 cm2

Jadi pertambahan luas aluminium tersebut adalah 0,96 cm2.
Luas setelah memuai adalah 400 + 0,96 = 400,96 cm2

• Muai Volume

Koefisien muai volume (γ : gamma) adalah : bilangan yang menunjukkan pertambahan volume suatu benda jika suhunya dinaikkan 1°C tiap satuan volume.
γ = 3α = 3/2 β
(koefisien muai volume = 3 x koefisien muai panjang = 3/2 x koefisien muai luas)

Rumus Muai Volume :

Contoh Soal :
Sebuah bola tembaga pada suhu 15°C volumenya 1 dm3. Berapakah volume tembaga itu pada suhu 100°C? Koefisien muai panjang tembaga = 0,00002 /°C.

Diketahui :
∆T = 100 - 15 = 85°C
γ = 3α = 3 x 0,00002 = 0,00006 /°C
Vo = 1 dm3

Ditanya : V = ?

Jawab :
V = Vo (1 + γ.∆T)
V = 1 (1 + {0,00006 x 85})
V = 1 (1 + 0,0051)
V = 1 x 1,0051
V = 1,0051 dm3

Jadi volume tembaga setelah memuai adalah 1, 0051 dm3.


B. Pemuaian Zat Cair

Zat cair hanya mengenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah
dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu.

Rumus pemuaian pada zat cair sama dengan rumus muai volume pada zat padat:

Keterangan:
Satuan volume tidak harus diubah jadi m3 dulu ya...
diubah belakangan saja tidak apa-apa.

Contoh Soal :


Bejana kaca pada suhu 0°C berisi penuh dengan 200 cm3 raksa. Jika suhunya dinaikkan menjadi 40°C berapakah volume raksa yang tumpah? (Koefisien muai panjang kaca = 0,000009/°C, koefisien muai raksa = 0,00018/°C).

Diketahui :
Vo kaca = Vo raksa = 200 cm3
α kaca = 0,000009/°C --> γ kaca = 3 x 0,000009 = 0,000027/°C
γ raksa = 0,00018 /°C
∆T = 40 - 0 = 40°C

Ditanya : V raksa yang tumpah = ...?

Jawab :
V raksa = Vo (1 + γ raksa . ∆T)
V raksa = 200 (1 + {0,00018 x 40})
V raksa = 200 (1 + 0,0072)
V raksa = 201,44 cm3

V kaca = Vo (1 + γ kaca . ∆T)
V kaca = 200 (1 + {0,000027 x 40})
V kaca = 200 (1 + 0,00108)
V kaca = 200,216 cm3

Raksa yang tumpah = 201,44 - 200,216 = 1,224 cm3.

Jadi volume raksa yang tumpah adalah 1,224 cm3.

• Anomali Air
  

Definisi anomali air adalah sifat pengecualian air. Pada umumnya, suatu zat akan memuai jika dipanaskan dan akan menyusut jika didinginkan, tetapi air mempunyai sifat khas. Jika air dipanaskan antara suhu nol derajat celcius, sampai empat derajat celcius, volumnya akan menyusut. Dan sebaliknya jika didinginkan volumenya akan menyusut, tetapi saat mencapai suhu 4°C volumenya kembali naik.

Contoh : pada proses pembuatan es batu, volume es batu akan lebih besar daripada saat kita memasukkan air ke dalam plastik es sebelum dimasukkan ke dalam freezer. Contoh lain adalah peristiwa es mengapung di permukaan air.

Berikut ini adalah grafik hubungan suhu dengan volume air
(Grafik anomali air) :

 

C. Pemuaian Gas/Udara

Udara dapat memuai jika dipanaskan, contoh penerapannya pada balon udara. Gas memiliki volume dan tekanan, maka gas dapat dipanaskan dengan 3 cara :

1. Pemanasan dengan Tekanan Tetap

Nah karena tekanannya tetap berarti yang berubah adalah volumenya, maka gunakan rumus muai volume seperti biasa. Koefisien muai gas itu nilainya adalah 1/273 maka rumusnya dapat disederhanakan langsung menjadi :


2. Pemanasan dengan Volume Tetap
Contohnya pada udara dalam ban, volumenya tetap tetapi lama kelamaan karena gesekan dengan jalan raya mengakibatkan panas maka tekanannya akan bertambah dan ban dapat pecah. Nah, perubahan tekanan ini dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :


Keterangan:
Po = Tekanan mula-mula (satuannya atm atau atmosfer)
P1 (atau P2) = Tekanan setelah suhunya dinaikkan (atm)
T = suhu dalam satuan Kelvin

Ingat, suhu untuk muai gas harus dalam satuan Kelvin ( K = C + 273).

Menurut Gay Lussac :
"Pada gas dalam ruang tertutup, perbandingan volume gas dengan suhu Kelvin dan perbandingan antara tekanan gas dengan suhu Kelvin merupakan bilangan tetap (konstanta)."


Keterangan :
P = pressure (tekanan) atm
V = volume (m3 atau satuan lain)
T = temperatur (Kelvin)


3. Pemanasan Bebas

Pada pemanasan bebas, volume, suhu, dan tekanan semua berubah nilainya. Misalkan volume suatu gas tertutup mula-mula V1, tekanannya P1, dengan suhu T1 Kelvin. Kemudian suhunya dinaikkan menjadi T2 Kelvin, sehingga Tekanannya menjadi P2, dan Volumenya menjadi V2. Dapat dirumuskan sebagai berikut:



Silakan belajar sama mama dan papa untuk mambolak-balik rumus ya, misal mencari P2, T2, dll.

Contoh Soal :

Pada suhu 27oC, volume gas 200 liter, dengan tekanan 6 atm. Suhu dinaikkan menjadi 87 oC.
a. Berapakah volumenya jika dipanaskan dengan tekanan tetap?
b. Berapakah tekanannya jika dipanaskan dengan volume tetap?
c. Berapa tekanannya jika volumenya menjadi 150 liter?

Diket :
Gas tertutup
V1 = 200 liter
P1 = 6 atm
t1 = 27 oC --> T1 = 27 + 273 = 300 Kelvin
t2 = 87 oC --> T2 = 87 + 273 K = 360 Kelvin

Ditanyakan :

1. V2 = ...? (jika tekanan tetap)
2. P2 = ...? (jika volume tetap )
3. P2 = ...? (jika V2 = 150 liter)

Jawab:
a. Gunakan rumus pemanasan dengan tekanan tetap
V2 x T1 = V1 x T2
V2 x 300 = 200 x 360 (selesaikan dengan matematika biasa)
sehingga diperoleh V2 = 240 liter.

b. Gunakan rumus pemanasan dengan volume tetap
P2 x T1 = P1 x T2
P2 x 300 = 6 x 360 (selesaikan dengan cara matematika biasa)
sehingga diperoleh P2 = 7,2 atm

c. Gunakan rumus pemanasan bebas
sehingga diperoleh
P2 = (P1 x V1 x T2) : (V2 x T1)
P2 = (6 x 200 x 360) : (150 x 300)
P2 = 9,6 atm.