Pemuaian Zat Padat , Zat Cair dan Zat Gas

  • 5 min read
  • Apr 23, 2020
pemuaian zat padat cair gas

1. Pengertian

Setiap zat baik dalam bentuk padat, cair atau gas tersusun oleh partikel-partikel kecil yang bergetar. Pemuaian zat padat, zat cair dan zat gas terjadi apabila zat tersebut dipanasi sehingga partikel-partikel di dalamnya bergetar lebih kuat dan saling menjauh. Hal tersebut menandakan bahwa benda telah memuai.

Apabila benda didinginkan maka getaran-getaran partikel akan lebih lemah sehingga partikel-partikel saling mendekat. Hal tersebut menandakan bahwa benda telah menyusut. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, zat cair ataupun zat gas.

Dalam artikel ini akan membahas pemuaian zat padat dan cair secara kuantitatif. Untuk pemuaian gas secara kuantitatif akan dibahas dalam artikel lain mengenai teori kinetik gas.

2. Pemuaian Zat Padat

Pemuaian pada zat padat menimbulkan banyak permasalahan. Misalnya kaca jendela yang terus menerus terkena panas dapat pecah karena memuai. Sehingga ukuran bingkai kaca didesain sedikit lebih besar daripada ukuran kacanya.

Pemanasan rel kereta terus menerus dapat menyebabkan rel melengkung. Sehingga sambungan rel kereta didesain dengan menyediakan celah di antara sambungan pada batang relnya. Selain dapat menimbulkan banyak permasalahan, pemuaian zat padat juga dapat dimanfaatkan.

Perbedaan pemuaian dapat dimanfaatkan pada dua keping logam yang berbeda koefisien muaianya. Keping tersebut biasa dinamakan dengan keping bimetal. Keping bimetal dapat dimanfaatkan untuk saklar termal. Seperti termometer bimetal, termostat bimetal dan lampu sen pada mobil.

pemuaian keping bimetal
Gambar pemuaian pada keping bimetal (invar-perunggu)

Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Sehingga apabila dipanaskan keping akan melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih kecil. Hal terjadi sebaliknya, keping akan melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih besar saat didinginkan.

2.1 Pemuaian Panjang

Apabila suatu benda padat dipanaskan maka benda tersebut akan memuai ke segala arah. Dengan kata lain ukuran panjang, luas dan volume benda akan bertambah. Pada benda padat yang panjang dan penampang luasnya kecil seperti jarum rajut. Maka hanya dapat memperhatikan pemuaian zat padat ke arah memanjangnya.

Salah satu alat untuk membandingkan muai panjang dari berbagai logam yang berbeda jenis ketika dipanaskan adalah muschenbrocks. Saat memanaskan tiga batang logam yang sama panjang namun berbeda jenis seperti aluminium, tembaga, dan besi.

muschenbrocks
Alat ukur pemuaian panjang muschenbrocks

Maka akan didapatkan bahwa walaupun ketiga batang yang panjangnya sama ini mengalami kenaikan suhu yang sama. Akan tetapi pertambahan panjang ketiganya berbeda-beda. Perbedaan koefisien muai panjang akan menyebabkan pertambahan panjang yang didefinisikan dengan persamaan sebagai berikut :

rumus pemuaian panjang

Dimana (α) merupakan koefisien muai panjang suatu bahan. Yaitu perbandingan antara pertambahan panjang (∆l) terhadap panjang awal benda (l0) per satuan kenaikan suhu (∆T). (lt) merupakan panjang akhir benda dalam satuan meter (m).

(T0) merupakan suhu awal benda dalam satuan (°C atau K). Dan (T) merupakan suhu akhir benda dalam satuan (°C atau K).

Pada tabel di bawah menunjukkan koefisien muai berbagai zat pada suhu kamar. Koefisien muai panjang sering disebut juga sebagai koefisien muai linear.

tabel koefisien muai
Tabel koefisien muai pada berbagai zat pada suhu kamar

2.2 Pemuaian Luas

Apabila benda padat berbentuk persegi panjang dipanaskan, terjadi pemuaian dalam ke arah memanjang dan ke arah melebar. Dengan kata lain, benda padat mengalami pemuaian luas. Koefisien muai luas sangat mempengaruhi pemuaian luas pada berbagai zat.

Perbandingan antara pertambahan luas benda (∆A) terhadap luas awal benda (∆0) per satuan kenaikan suhu (∆T) disebut koefisien muai luas (β) suatu benda. Secara matematis koefisien muai luas (β) dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :

rumus pemuaian luas

Pertambahan luas dinyatakan dalam (∆A) dengan satuan meter persegi (m2). (A0) merupakan luas awal benda dengan satuan meter persegi (m2). Dan (A) merupakan luas akhir benda dengan satuan meter persegi (m2).

pemuaian luas zat padat
Gambar pemuaian luas zat padat

2.3 Hubungan Koefisien Muai Luas Dengan Koefisien Muai Panjang

Apabila suatu persegi dengan ukuran sisi 1 meter dipanaskan hingga suhunya naik 1 K. Sisi persegi bertambah panjang menjadi (1+α) meter akibat pemanasan tersebut. Dimana α merupakan koefisien muai panjang.

hubungan muai luas dengan muai panjang
rumus mencari koefisien muai luas

Nilai (α2) diabaikan terhadap (2α) karena koefisien muai panjang (α) sangat kecil. Sehingga dapat diperoleh hubungan antara koefisien muai luas (β) dengan koefisien muai panjang (α). Persamaan koefisien muai luas (β) dapat ditulis sebagai berikut :

rumus koefisien muai luas

2.4 Pemuaian Volume

Apabila benda padat berbentuk balok dipanaskan maka akan terjadi pemuaian dalam arah memanjang, melebar dan meninggi. Dengan kata lain benda padat mengalami pemuaian volume. Pemuaian volume berbagai zat padat, zat cair dan zat gas tergantung pada koefisien muai volumenya.

pemuaian volume
Gambar pemuaian volume pada zat padat

Perbandingan pertambahan volume terhadap volume awal benda (V0) per satuan kenaikan suhu (∆T) disebut dengan koefisien muai volume (γ) suatu bahan. Secara matematis, koefisien muai volume (γ) dinyatakan sebagai berikut :

persamaan rumus pemuaian volume

Dimana (V) merupakan volume akhir benda dengan satuan centimeter kubik (cm3) atau meter kubik (m3). Dengan cara seperti sewaktu menentukan hubungan koefisien muai luas dengan koefisien muai panjang. Maka diperoleh rumus persamaan koefisien muai volume (γ) sebagai berikut :

rumus pemuaian volume

3. Pemuaian Volume Zat Cair

Zat cair mempunyai sifat selalu mengikuti bentuk dari wadah atau tempat yang ditempatinya. Apabila air dituangkan ke dalam botol maka bentuk air mengikuti bentuk botol. Sehingga wadah berarti volume.

Oleh karena itu zat cair hanya memiliki muai volume atau tidak memiliki muai panjang dan muai luas. Sehingga yang selalu diketahui pada zat cair adalah koefisien muai volumenya.

3.1 Persamaan Kuantitatif Untuk Muai Volume Zat Cair

Persamaan untuk menghitung pemuaian volume zat cair sama dengan persamaan untuk menghitung pemuaian volume zat padat. Untuk kenaikan suhu yang sama, pemuaian volume pada zat cair lebih besar daripada pemuaian volume pada zat padat. Apabila zat cair mengisi hampir penuh suatu wadah dipanaskan maka zat cair dalam wadah tersebut akan tumpah pada suhu tertentu.

3.2 Anomali Air

Beberapa zat tidak selalu memuai apabila dipanaskan. Zat tersebut dapat menyusut di antara suhu-suhu tertentu. Jika kita mulai memanaskan es pada suhu -10°C. Maka es akan memuai sama seperti zat padat lainnya sampai es mencapai suhu 0°C.

Di antara suhu 0°C dan 4°C air akan menyusut dan akan mencapai volume minimum pada suhu 4°C. Massa air tetap sewaktu menyusut. Hal ini menunjukkan bahwa massa jenis air (ρ= m/V) mencapai maksimum pada suhu 4°C.

Pada zat cair umumnya mencapai massa jenis maksimum pada titik bekunya. Di atas suhu 4°C air akan memuai apabila dipanaskan. Sehingga pada suhu di antara 0°C dan 4°C air akan menyusut dan di atas suhu 4°C air akan memuai.

Sifat pemuaian air yang tidak teratur dinamakan dengan anomali air. Anomali berarti ketidakteraturan. Bismuth dan parafin merupakan zat lain yang memiliki sifat anomali seperti air.

anomali air
Gambar volume 1,00000 kg air sebagai fungsi suhu

Anomali air sangat penting artinya bagi kehidupan ikan dan tumbuh-tumbuhan di dalam air pada saat cuaca sangat dingin. Ketika air dingin dalam telaga atau danau mencapai suhu di bawah 4°C. Pemuaian yang akan memperkecil massa jenis air yang lebih dingin mengakibatkan pertambahan volume air .

Air lebih dingin yang massa jenisnya lebih kecil akan bergerak ke permukaan telaga. Sedangkan air 4°C yang massa jenisnya lebih besar akan tenggelam ke dasar telaga. Hasilnya air yang ada di permukaan akan membeku terlebih dahulu.

Sebab air di permukaanlah yang mencapai suhu 0°C. Jadi di permukaan air akan terbentuk lapisan es. Air di bawah lapisan es pada telaga atau danau yang dalam tidak pernah membeku. Sehingga ikan dan tumbuh-tumbuhan di dalam telaga mampu bertahan hidup menghadapi musim dingin.

suhu air danau ditutupi es
Gambar suhu air danau yang ditutupi es

4. Pemuaian Gas

Dalam bagian ini akan dibatasi pembahasannya hanya untuk menunjukkan bahwa seperti halnya zat padat dan zat cair. Zat gas juga akan mengalami pemuaian. Untuk menunjukkan bahwa gas mengalami pemuaiaan adalah dengan menaruh balon pada mulut botol yang dipanaskan.

Balon akan mengembang akibat gas yang didalam botol mengalami penambahan volume. Dengan kata lain gas di dalam botol mengalami pemuaian.

Apabila kemudian botol tersebut dimasukkan ke dalam air dengan suhu dingin. Maka balon akan mengempis karena gas dalam botol mengalami penyusutan saat didinginkan.

pemuaian gas dalam botol
Gambar pemuaian gas di dalam botol

Untuk jumlah gas yang tetap maka keadaan suatu gas dinyatakan oleh tiga variabel yaitu tekanan, volume, dan suhu mutlaknya. Dengan demikian persamaan pemuaian gas melibatkan ketiga variabel.

Related Post :

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *