3 Jenis Pemuaian Zat, Rumus, Referensi Soal Dan Pembahasan
Suatu benda baik padat, cair, maupun gas terdiri atas partikel-partikel sangat kecil yang selalu bergetar disebut molekul. Jarak antarmolekulnya zat padat sangat berdekatan. Pada zat cair, jarak antarmolekulnya agak renggang, sedangkan pada gas jarak antarmolekulnya sangat renggang. Perhatikan gambar susunan partikel zat padat, cair dan gas berikut ini.
Jika suatu benda dipanaskan, molekul-molekul itu bergetar semakin cepat. Getaran antarmolekul tersebut menjadikan molekul-molekul saling dorong. Akibat dorongan molekul tersebut, maka suatu benda akan mengalami proses pemuaian.
Nah, pada kesempatan kali ini kita akan mempelajari pemuaian pada 3 macam zat, yakni pemuaian zat padat, cair, dan gas. Untuk itu, silahkan kalian simak baik-baik klarifikasi berikut ini. Selamat membaca dan belajar, biar sanggup paham.
1. Pemuaian Zat Padat
Pemuaian pada zat padat sanggup diamati melalui perubahan panjang, luas dan volume. Sehingga dikenal pada zat padat dikenal pemuaian panjang, pemuaian luas dan pemuaian volume. Penjelasan dari ketiga jenis pemuaian zat padat tersebut ialah sebagai berikut.
#1 Pemuaian Panjang
Seutas kawat logam yang panjangnya l0 dan bersuhu T0 dipanaskan hingga suhu T maka kawat logam itu akan memuai sehingga panjangnya menjadi l. Perhatikan gambar ilustrasi pemuaian panjang pada kawat logam berikut ini.
∆l = l – l0 ……… Pers. (1)
Pertambahan panjang kawat sanggup ditentukan dengan persamaan sebagai berikut.
∆l = αl0∆T …… Pers. (2)
Pada persamaan (2) tersebut, α (dibaca: alfa) ialah koefisien muai panjang. Dari persamaan (1) dan persamaan (2), maka kita peroleh persamaan berikut.
l – l0 = αl0∆T
l = l0 + αl0∆T
l = l0(1 + α∆T) atau l = l0[1 + α(T – T0)] …… Pers. (3) |
Besar koefisien muai panjang beberapa materi pada suhu 20oC diperlihatkan pada tabel berikut ini.
Tabel Koefisien Muai Panjang Berbagai Zat pada Suhu 20oC
Nama Zat | Koefisien Muai Panjang α (/oC) |
Aluminium | 2,5 × 10-5 |
Kuningan dan perunggu | 1,9 × 10-6 |
Beton dan batu | ≈ 1,2 × 10-5 |
Kaca (biasa) | 9 × 10-6 |
Kaca (pyrex) | 3 × 10-6 |
Timah | 2,9 × 10-5 |
Besi | 1,1 × 10-5 |
Kwarsa | 0,4 × 10-6 |
Baja | 1,2 × 10-5 |
Marmer | 1,4 × 10-6 – 3,6 × 10-6 |
Tembaga | 1,7 × 10-5 |
Kebutuhan pengetahuan mengenai koefisien muai panjang suatu materi ialah untuk memperhitungkan penggunaan materi tersebut. Misalnya, pemilihan materi dan ukuran yang dipakai untuk konstruksi jembatan.
Pada salah satu ujung jembatan ini, dipasang roda dan diberi celah untuk memberi ruangan ketika jembatan memuai.
Pada salah satu ujung konstruksi jembatan modern, diberikan roda baja yang sanggup berputar bebas. Ketika jembatan memuai akhir panas, dasar jembatan sanggup menggerakkan roda baja tersebut. Pada ujung yang lain juga diberikan celah yang memungkinkan dasar jembatan sanggup bergerak.
Contoh Soal Pemuaian Panjang
Pada suhu 20oC, panjang kawat besi ialah 20 m. Berapakah panjang kawat besi tersebut pada suhu 100oC jikalau koefisien muai panjang besi 1,1 × 10-5/oC?
Penyelesaian:
Diketahui:
T0 = 20oC
T = 100oC
l0 = 20 m
α = 1,1 × 10-5 C-1
Ditanyakan: l = …?
Jawab:
l = l0 [1 + α(T – T0)]
l = 20[1 + 1,1 × 10-5(100 – 20)]
l = 20[1 + 1,1 × 10-5(80)]
l = 20(1 + 8,8 × 10-4)
l = 20(1 + 0,00088)
l = 20(1,00088)
l = 20,0176 m
Jadi, panjang kawat besi tersebut pada suhu 100oC ialah 20,0176 m.
#2 Pemuaian Luas
Sekeping logam yang panjangnya x dan lebarnya y akan mengalami muai luas jikalau dipanaskan. Pemuaian luas suatu zat bergantung kepada koefisien muai luas yang diberi lambang atau simbol β (dibaca: beta). Muai luas terbentuk dari dua pemuaian, yaitu pertambahan panjang dan pertambahan lebar. Akibatnya, besar koefisien muai luas (β) sama dengan dua kali koefisien muai panjang (α), yaitu:
β = 2α …… Pers. (4)
jika sekeping logam yang luasnya A0 dan suhunya T0 dipanaskan hingga suhu T, logam tersebut akan memuai sehingga luasnya menjadi A. Besarnya pertambahan luas keping logam ∆A tersebut sanggup dituliskan dalam persamaan berikut.
Misalnya, luas pesegi:
A0 = l02
∆l = αl0∆T
∆A = 2l0∆l
∆A = 2l0(αl0∆T)
∆A = 2αl02∆T
∆A = βA0∆T …… Pers. (5)
Dengan memasukkan harga ∆A = A – A0 maka persamaan (5) menjadi:
A – A0 = βA0∆T
A = A0(1 + β∆T) atau A = A0[1 + β(T – T0)] …… Pers. (6) |
Contoh Soal Pemuaian Luas
Sekeping aluminium dengan panjang 40 cm dan lebar 30 cm dipanaskan dari 40oC hingga 140oC. Jika koefisien muai panjang aluminium tersebut (α) ialah 2,5 × 10-5 oC, tentuan luas keping aluminium sehabis dipanaskan.
Penyelesaian:
Diketahui:
A0 = 40 cm × 30 cm = 1.200 cm2
β = 2α = 2(2,5 × 10-5 oC) = 5 × 10-5 oC
∆T = 140oC – 40oC = 100oC
Ditanyakan: A = …?
Jawab:
A = A0(1 + β∆T)
A = 1.200(1 + 5 × 10-5 × 100)
A = 1.200(1 + 5 × 10-3)
A = 1.200(1 + 0,005)
A = 1.200(1,005)
A = 1206 cm2
Jadi, luas penampang aluminium sehabis dipanaskan ialah 1206 cm2.
#3 Pemuaian Volume
Pemuaian volume benda bergantung kepada koefisien muai volume yang diberi lambang atau simbol γ (dibaca: gamma). Pemuaian volume terbentuk dari tiga pemuaian, yaitu pertambahan panjang, pertambahan lebar, dan pertambahan tinggi. Akibatnya, besar koefisien muai volume (γ) sama dengan tiga kali koefisien muai panjang (α), yaitu:
γ = 3α …… Pers. (7)
Jika sebuah benda berbentuk balok yang volumenya V0 dan suhunya T0 dipanaskan hingga suhu T, benda tersebut akan memuai sehingga volumenya menjadi V.
Besarnya pertambahan volume benda berbentuk ruang sanggup ditulis dalam bentuk persamaan berikut.
Misalnya, volume kubus.
V0 = l03
∆l = αl0∆T
∆V = 3l02∆l
∆V = 3l02(αl0∆T)
∆V = 3αl03∆T …… Pers. (8)
∆V = γV0∆T ……… Pers. (9)
Dengan memasukkan harga ∆V = V – V0 maka persamaan (9) menjadi:
V – V0 = γV0∆T
V = V0(1 + γ∆T) atau V = V0[1 + γ (T – T0)] …… Pers. (10) |
Contoh Soal Pemuaian Volume
Sebuah besi bervolume 1 m3 dipanaskan dari 0oC hingga 1.000oC. Jika massa besi pada suhu 0oC ialah 7.200 kg dan koefisien muai panjangnya 1,1 ×10-5/oC, hitunglah massa jenis besi pada suhu 1.000oC.
Penyelesaian:
Diketahui:
V0 = 1 m3
γ = 3α = 3(1,1 × 10-5) = 3,3 × 10-5/oC
ρ = 7.200 kg/m3
∆T = 1000oC – 0oC = 1000oC
Ditanyakan: massa jenis besi sehabis dipanaskan
Jawab:
□ Volume besi sehabis dipanaskan adalah:
V = V0(1 + γ∆T)
V = 1[1 + (3,3 × 10-5)(1000)]
V = 1(1 + 3,3 × 10-2)
V = 1(1 + 0,033)
V = 1(1,033)
V = 1,033 m3
□ Setelah dipanaskan, volume benda berubah tetapi massanya tetap.
ρ | = | m |
V |
ρ | = | 7200 kg |
1,033 m3 |
ρ | = | 6.969,99 kg/m3 |
Jadi, massa jenis besi menjadi 6.969,99 kg/m3.
2. Pemuaian Zat Cair
Pada umumnya, pemuaian zat cair hanya sanggup diamati melalui perubahan volumenya. Jika sebuah baskom gelas yang berisi air hampir penuh dipanaskan, sehabis kenaikan suhu, air akan tumpah. Peristiwa tersebut sanggup diterangkan sebagai berikut.
Ruang gerak partikel pada zat cair lebih besar daripada ruang gerak partikel pada zat padat. Jika kedua zat itu mengalami pemanasan secara bersamaan, partikel pada zat cair lebih leluasa bergerak dibandingkan dengan partikel zat padat.
Oleh lantaran itu, volume air lebih cepat bertambah daripada volume baskom gelas sehingga air akan tumpah. Peristiwa tersebut menawarkan bahwa koefisien muai volume zat cair lebih besar daripada koefisien muai volume zat padat.
Anomali Air
Telah kalian ketahui bahwa jikalau zat padat, zat cair, dan gas dipanaskan, zat-zat tersebut akan memuai seiring dengan kenaikan suhu. Pada pemanasan air, ada hal menarik yang sanggup diamati. Misalkan, kalian memanaskan air bersuhu 0oC sebanyak 1,0002 cm3.
Di antara suhu 0oC dan 4oC, volume air akan menyusut, tetapi massanya tetap sehingga massa jenisnya naik. Jika pemanasan diteruskan hingga di atas 4oC, volume air akan memuai ibarat zat-zat yang lain. Sifat pemuaian air yang tidak teratur ini disebut anomali air, ibarat yang diperlihatkan grafik pada gambar berikut ini.
Dari grafik tersebut, tampak bahwa dari 0oC hingga 4oC volume air terus menyusut hingga kurang dari 1.000 cm3. Kemudian, di atas suhu 4oC volume air memuai.
Untuk massa yang sama, pada suhu 0oC volume es lebih besar daripada volume air. Berarti massa jenis es lebih kecil daripada massa jenis air lantaran massa jenis berbanding terbalik dengan volume (ρ = m/V). Itulah sebabnya, bongkahan es sanggup mengapung di atas air.
3. Pemuaian Zat Gas
Pada tahun 1787, Jacques Charles melaksanakan percobaan yang menawarkan bahwa semua gas memuai dengan koefisien muai yang sama, yaitu sebesar 1/273oC. Menurutnya, jikalau semua gas dipanaskan, volume dan tekanannya berubah.
#1 Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap
Perhatikan gambar di bawah ini. Sebuah tabung kaleng, tutupnya diberi pipa kecil yang ujungnya dipasangi balon kempes. Jika tabung tersebut dipanaskan, suhu gas yang berada di dalam tabung akan naik.
Pada keadaan itu, partikel gas bergerak saling berdesakan ke segala arah dan masuk ke dalam balon melalui pipa sehingga balon membesar. Peristiwa tersebut menawarkan telah terjadi pemuaian gas di dalam tabung pada tekanan tetap (sama dengan tekanan udara di luar tabung).
Grafik suhu terhadap volume pada proses pemanasan gas dengan tekanan tetap tampak ibarat pada gambar berikut ini.
Dari gambar tersebut, tampak bahwa jikalau tekanan gas tetap, volume gas berbanding lurus dengan suhunya. Selanjutnya, pernyataan ini disebut Hukum Charles. Secara matematis ditulis sebagai berikut.
V = CT
V | = | V | atau | V1 | = | V2 | …… Pers. (11) |
T | T1 | T2 |
Keterangan:
V1 = volume awal (m3)
V2 = volume gas sehabis dipanaskan (m3)
T1 = suhu awal (K)
T2 = suhu gas sehabis dipanaskan (K)
Besarnya pertambahan volume gas ketika dipanaskan memenuhi persamaan yang sama dengan besarnya pertambahan volume zat padat, yaitu sebagai berikut.
Vt = V0(1 + γ∆T) …… Pers. (12) |
Oleh karena ∆T = T dan γ = 1/273 maka persamaan (12) sanggup ditulis ulang sebagai berikut.
Vt | = | V0 | 1 | + | 1 | ∆T | …… Pers. (13) |
273 |
#2 Pemuaian Gas pada Volume Tetap
Perhatikan gambar di bawah ini. Pada belahan ujung pipa ditutup rapat dengan sumbat paralon. Jika tabung pada gambar tersebut dipanaskan, volume gas tetap. Akibatnya, tekanan gas bertaambah besar. Kaprikornus pada pemanasan ini volume gas tetap, sedangkan tekanannya berubah.
Kalian sanggup mengetahui kekerabatan antara kenaikan suhu dan tekanan pada pemanasan gas pada volume tetap dengan melaksanakan percobaan berikut.
Percobaan: Hubungan Suhu dan Tekanan
Tujuan Percobaan:
Mengetahui kekerabatan antara kenaikan suhu dan tekanan.
Alat-Alat Percobaan:
Alat ukur Bourdon, termometer raksa, tabung gas, pembakar bunsen, dan kaki tiga.
Langkah-Langkah Percobaan:
1. Rancanglah peralatan tersebut ibarat pada gambar berikut ini. Pastikan tidak ada kebocoran gas dalam tabung.
2. Setelah terjadi kesetimbangan termal antara termometer dan gas dalam tabung, catat suhu awal gas (terlihat pada termometer) dan tekanan udara (terlihat pada alat Bourdon).
3. Panaskan tabung dengan pembakar bunsen. Catat kenaikan suhu udara dan tekanan udara dalam tabung pada suatu tabel.
4. Dari tabel tersebut, buatlah grafik suhu terhadap tekanan gas.
5. Buatlah kesimpulan dari acara ini.
Percobaan serupa dengan eksperimen di atas pernah dilakukan oleh para mahir Fisika. Dari hasil percobaan yang telah mereka lakukan, diperoleh grafik tekanan gas terhadap suhu pada volume tetap berbentuk garis lurus ibarat yang diperlihatkan pada gambar berikut ini.
Secara matematis, garis lurus pada grafik tersebut memenuhi persamaan berikut.
P = CT
P | = | C | atau | P1 | = | P2 | …… Pers. (14) |
T | T1 | T2 |
Keterangan:
P = tekanan gas (atm)
T = suhu gas (K)
C = konstanta
Dari persamaan P = CT diketahui bahwa tekanan gas berbanding lurus dengan suhunya pada volume tetap. Selanjutnya, pernyataan tersebut disebut Hukum Gay-Lussac.