Pemuaian suatu zat

Materi

Pemuaian Zat

Pemuaian adalah bertambahnya volume suatu zat akibat meningkatnya suhu zat. Semua zat umumnya akan memuai jika dipanaskan.

Pemuaian zat padat, zat cair, dan gas menunjukkan karakteristik yang berbeda. Pemuaian dapat digambarkan sebagai berikut, jika sekelompok orang berdiri dan tidak bergerak mereka dapat berdiri berdekatan, sehingga tidak membutuhkan ruang yang besar, tetapi jika orang-orang tersebut mulai bergerak, maka akan dibutuhkan ruang yang lebih besar.

Hal ini terjadi jika suatu zat dipanaskan. Partikel-partikel zat bergerak lebih cepat, sehingga membutuhkan ruang yang lebih besar. Ruang yang ditempati partikel-partikel pembentuk zat bergantung pada suhunya.

Gambar 1. Sebuah gelas terpecah yang disebabkan pemuaian yang tidak sama

antara bagian dalam dan luar gelas

- Pemuaian Zat Padat

A. Muai Panjang

Pemuaian zat terjadi ke segala arah, sehingga panjang, luas, dan ukuran volume zat akan bertambah. Untuk zat padat yang bentuknya memanjang dan berdiameter kecil, sehingga panjang benda jauh lebih besar daripada diameter benda seperti kawat, pertambahan luas dan volume akibat pemuaian dapat diabaikan. Dengan demikian, hanya pertambahan ukuran panjang yang diperhatikan. Pemuaian yang hanya berpengaruh secara nyata pada pertambahan panjang zat disebut muai panjang. Salah satu alat yang digunakan untuk menyelidiki muai panjang zat padat adalahMusschenbroek.

Gambar 2. Musschenbroek adalah alat untuk menyelidiki muai panjang zat

Alat ini mengukur muai panjang zat berbentuk batang. Salah satu ujung batang ditempatkan pada posisi tetap, sehingga ujung yang lain dapat bergerak bebas, ujung yang bebas akan mendorong sebuah jarum yang menunjuk ke skala saat memuai. Besar pemuaian dapat dilihat dari skala yag ditunjuk jarum. Makin besar pemuaian, maka makin besar perputaran jarum pada skala.

Gambar 3. Sebuah batang logam sebelum dipanaskan dan dan setelah dipanaskan

Tiga batang logam yang dipanaskan

Pertambahan panjang suatu zat secara fisis:

  1. Berbanding lurus dengan panjang mula-mula

  2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu

  3. Bergantung dari jenis zat

Pertambahan panjang suatu zat secara matematis dapat dituliskan:

Keterangan:

= pertambahan panjang, dalam satuan meter

= panjang mula-mula, dalam satuan meter

= koefisien muai panjang, dalam satuan /°C

= perubahan suhu, dalam satuan °C

Pertambahan panjang setiap zat berbeda-beda bergantung pada koefisien zat. Pertambahan panjang zat padat untuk kenaikan 1°C pada zat sepanjang 1 m disebut koefisien muai panjang ().

Tabel 1. Koefisien muai panjang beberapa zat padat

Pemuaian yang terjadi pada zat padat dapat berupa muai panjang, muai luas, atau muai volume. Pemuaian juga bergantung dari jenis bahannya (zat). Koefisien muai panjang aluminium jauh lebih besar daripada tembaga maupun besi sehingga pertambahan panjang yang terbesar terjadi pada aluminium (Al), tembaga (Cu), kemudian besi (Fe).

Itu artinya koefisien muai panjang _Al > _Cu > _Fe. 

Perbandingan muai logam yang dipanaskan

B. Muai Luas

Pada logam yang berbentuk lempengan tipis (berupa segiempat, segitiga, atau lingkaran), ukuran volume dapat diabaikan. Ketika lempengan tersebut mendapat pemanasan, maka dapat diamati hanya pemuaian luasnya saja. Dengan kata lain, zat padat tersebut mengalami muai luas.

Muai luas dapat diamati pada kaca jendela, pada saat suhu udara panas, dan suhu kaca menjadi naik sehingga terjadi pemuaian, maka kaca memuai lebih besar daripada pemuaian bingkainya, akibatnya kaca terlihat terpasang sangat rapat pada bingkai. Benda yang mengalami muai luas akan menjadi lebih besar daripada semula.  

Pemuaian yang terjadi pada sebuah benda padat jika ketebalannya jauh lebih kecil dibandingkan panjang dan lebarnya, maka yang terjadi adalah muai luas.

Gambar 4. Sebuah kaca sebelum dipanaskan dan dan setelah dipanaskan

Sebuah kaca dipanaskan dan diukur dengan Musschenbroek

Pertambahan luas suatu zat bila dipanaskan akan:

  1. Berbanding lurus dengan luas mula-mula

  2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu

  3. Bergantung dari jenis zat

Pertambahan luas yang terjadi apabila benda menerima panas, secara matematis dapat dituliskan:

Keterangan:

= pertambahan luas, dalam satuan meter persegi (m²)

= luas mula-mula, dalam satuan meter persegi (m²)

= 2.= koefisien muai luas, dalam satuan /°C

= perubahan suhu, dalam satuan °C

C. Muai Volume

Jika benda yang kita panaskan berbentuk balok, kubus, atau berbentuk benda pejal lainnya, muai volumlah yang harus kita perhatikan (paling dominan). 

Sebuah kubus dipanaskan dan diukur dengan Musschenbroek

Pertambahan volume suatu zat yang dipanaskan, secara fisis:
1. Berbanding lurus dengan volume mula-mula zat
2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu zat
3. Bergantung dari jenis bahan

Pertambahan volume zat yang terjadi akibat panas, secara matematis dapat dituliskan:

Keterangan:

= pertambahan volume, dalam satuan m³

= volume mula-mula, dalam satuan m³

= 3.= koefisien muai volume, dalam satuan /°C

= perubahan suhu, dalam satuan °C

- Pemuaian Zat Cair

Pada zat cair hanya dikenal ukuran volume, karena itu pada zat cair hanya dikenal muai volume.

Makin tinggi kenaikan suhu, makin besar penambahan volume zat cair. Pemuaian zat cair yang satu dengan yang lain umumnya berbeda, meskipun volume zat cair mula-mula sama. Untuk seluruh zat cair pemuaian makin besar jika kenaikan suhu bertambah besar.

Pemuaian zat cair dapat dimanfaatkan dalam penggunaan termometer zat cair, biasanya zat cair yang digunakan adalah raksa atau alkohol. Sifat naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler sebagai akibat pemuaian zat cair inilah yang digunakan untuk mengukur suhu. Permukaan zat cair naik sepanjang pipa kapiler dan berhenti pada posisi tertentu yang sesuai dengan suhu benda. Suhu yang terukur dinyatakan oleh skala yang berimpit dengan permukaan zat cair pada pipa kapiler tersebut.

Pemuaian yang terjadi pada zat cair adalah muai volume. Air yang keluar dari bejana merupakan indikasi perbedaan pemuaian yang berbeda antara zat padat dan zat cair. Air yang tertumpah dari bejana menandakan pemuaian zat cair yang lebih besar dari muai zat padat, dalam hal ini adalah bejananya.

Air yang dipanaskan dalam bejana

Di bawah ini adalah tabel koefisien muai volume beberapa zat cair.

Tabel 2. Koefisien Muai Volume Zat Cair

Gambar 5. Termometer alkohol  adalah salah satu contoh penerapan pemuaian pada zat cair.

Prinsip kerja termometer zat cair menggunakan prinsip dasar pemuaian zat cair. Naiknya permukaan raksa mengindikasikan adanya pemuaian, semakin besar panas yang diterima semakin besar pula tingkat kenaikan raksa.

Selain termometer zat cair terdapat termometer lain yaitu termometer digital. Keuntungan dari termometer digital adalah hasil pengukuran lebih akurat dan langsung dapat dilihat, tetapi termometer digital memiliki kekurangan yaitu memerlukan baterai sebagai sumber energi.

Termometer zat cair dan termometer digital

Anomali Air

Hampir semua zat akan memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Tetapi, air memiliki sedikit pengecualian. Jika suhu diturunkan, memang volume air akan makin kecil seperli lainnya. Namun pada suatu ketika volume air justru membesar meskipun suhunya tetap diturunkan. Jadi ada suhu dimana air memiliki volume paling kecil. Jika pada suhu tersebut air dipanaskan, volumenya akan bertambah besar, jika pada suhu tersebut air didinginkan, volumenya akan membesar.

Sifat air yang demikian disebut anomali air. Pada tekanan 1 atm, volume terkecil yang dimiliki air pada suhu 4°C . Dengan demikian, volume es lebih besar daripada volume air pada suhu 4°C . Karena volumenya paling kecil maka, massa jenis yang terbesar terjadi saat suhu 4°C.  

    

 

Gafik 1. Pada suhu 4°C air menunjukkan sifat anomali

    

Ketika danau di daerah yang bersuhu dingin membeku, es yang terbentuk akan mengapung di atas permukaan air. Hal ini terjadi karena massa jenis es lebih kecil daripada air yang bersuhu 1°C sampai 4°C. Itulah sebabnya permukaan danau sudah menjadi es, namun di dasarnya masih menjadi air. Begitu juga bila kita membuat es batu dengan menggunakan pendingin (refrigerator) , volume air sebelum menjadi es akan jauh lebih kecil dibandingkan setelah seluruh air telah berubah menjadi es.

    

 

Foto. Sebuah danau yang pada permukaannya telah terjadi perubahan wujud.

  

- Pemuaian Gas

Gas mengalami pemuaian ketika suhunya bertambah dan mengalami penyusutan jika suhunya turun. Pada gas tidak dikenal muai panjang dan muai luas, yang ada hanyalah muai volume gas. Dari penelitian yang dilakukan menunjukkan bahwa koefisien muai volume semua gas sama yaitu :

0,00367 /K.

 Perumusan muai volume pada tekanan tetap dapat dituliskan:

Keterangan:

V₂= volume gas pada suhu akhir, dalam satuan m³

V₁= volume gas pada suhu awal, dalam satuan m³

= kenaikan suhu, dalam satuan K

= 

Balon udara merupakan salah satu contoh penerapan muai gas

Penerapan Sifat Pemuaian Zat

Zat-zat tertentu mempunyai koefisien muai yang besar, akibatnya, benda yang terbuat dari zat tersebut akan bertambah ukurannya secara mencolok saat udara panas atau suhu benda tinggi, sebaliknya benda tersebut akan menyusut jika udara dingin. Efek pemuaian zat harus diperhitungkan pada konstruksi jembatan, bangunan, atau peralatan rumahtangga lainnya. Berikut ini adalah beberapa manfaat pemuaian.

Pengelingan

Pengelingan adalah penyambungan dua plat logam dengan menggunakan paku keling. Kedua plat yang akan disambung. Paku keling yang sudah dipanaskan hingga membara kemudian digunakan untuk menyambung, setelah itu  dipukul hingga rata. Pada saat dingin kembali, paku menyusut dan kedua plat dapat tersambung erat.

Pengelingan logam jaman dahulu banyak digunakan pada pembuatan roda pedati.

Keping Bimetal

Bimetal artinya dua buah logam. Keping bimetal adalah dua keping logam yang memiliki koefisien muai panjang berbeda (biasanya kuningan dan besi) yang dikeling menjadi satu. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Pada suhu normal panjang kedua logam sama, jika suhunya naik, kedua logam memuai dengan pertambahan panjang yang berbeda, akibatnya keping bimetal membengkok ke arah logam yang mempunyai koefisien terkecil. Pembengkokan bimetal dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya saklar alarm bimetal, atau termometer bimetal.

 

Foto keping bimetal yang dipanaskan akan melengkung.

Pada gedung-gedung keping bimetal digunakan sebagai saklar alarm kebakaran. Jika terjadi kebakaran, suhu ruangan akan naik, keping bimetal akan melengkung dan menghubungkan rangkaian listrik sehingga alarm kebakaran berbunyi.

   

  

Alarm

Pemasangan Jaringan Listrik atau Telepon

Kabel listrik atau telepon harus dipasang kendur dari satu tiang ke tiang yang lain. Jika suhu turun pada malam hari atau saat hari dingin, kawat akan menyusut sehingga panjangnya akan berkurang. Jika tidak dipasang kendur, penyusutan panjang dapat menyebabkan kabel putus.  

  

         

Pemasangan instalasi kabel dibuat kendur agar pada malam hari atau

suhu udara rendah mencegah kabel terputus.

Kontruksi Jembatan

Jembatan seringkali dibuat dari kerangka besi. Rangka jembatan yang terbuat dari besi akan memuai jika suhunya naik, antara ujung rangka jembatan dengan tiang beton diberi celah pemuaian. Selain itu ujung tersebut diletakkan di atas roda. Ketika terjadi pemuaian, rangka bertambah panjang. Keberadaan roda dan celah memudahkan gerak memanjang dan memendeknya rangka, sehingga terhindar dari pembengkokan.

         

Celah pada sambungan sebuah jembatan yang memberi ruang bila terjadi pemuaian.

Sambungan Rel Kereta Api

Pemasangan rel kereta api harus menyediakan celah antara satu batang rel dengan batang rel yang lain. Jika pada siang hari dan suhu meningkat, batang rel akan memuai sehingga terjadi pertambahan panjang, dengan adanya celah tidak terjadi tabrakan antara dua batang rel yang berdekatan yang dapat menyebabkan rel kereta menjadi bengkok.

         

Celah antar rel yang berfungsi sebagai ruang apabila terjadi pemuaian.