Pemuaian

Suatu benda ketika dikenai suhu panas akan memuai dan dikenai suhu dingin akan menyusut. Memuai dan menyusutnya suatu benda terjadi karena molekul-molekul benda bergetar lebih cepat, selain itu molekul juga memerlukan banyak ruang sehingga suatu zat dapat mengalami pemuaian. Pemuaian umumnya juga dipengaruhi adanya suhu dan kalor, di mana benda dengan suhu tinggi akan mengalami peristiwa pemuaian yang ditandai dengan bertambahnya ukuran. Oleh karena itu, dapat diartikan bahwa pemuaian adalah peristiwa bertambahnya ukuran benda dengan memanjang, melebar, atau meluasnya suatu benda akibat dari kenaikan suhu.

1. Pemuaian zat padat

Pemuaian zat padat dapat meliputi pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.

a. Pemuaian panjang

Pemuaian panjang adalah bertambahnya panjang suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian panjang dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti panjang awal benda, koefisien muai panjang, dan besar perubahan suhu. Contoh: kabel listrik pada siang hari mengendur dan pada pagi hari mengencang. Pemuaian panjang dapat diselidiki dengan menggunakan alat musschenbroek. Pemuaian panjang dapat dilakukan perhitungan dengan menerapkan rumus matematis sebagai berikut.

 ΔL = Lo . α . ΔT
 Lt = Lo (1 + α . ΔT)

Keterangan:
Lt = panjang akhir (m)
Lo = panjang mula-mula (m)
∆L = pertambahan panjang (m)
α  = koefisien muai panjang (/ oC)
∆T = kenaikan suhu (oC)

Contoh Soal:
Besi panjangnya 20 cm dipanaskan dari suhu 20°C menjadi 70°C. Jika koefisien muai panjang besi 0,000012/°C, berapakah pertambahan panjang besi?

Penyelesaian:

Diket:
  Lo = 20 cm
  ∆T = T1 – To
     = 70 – 20 = 50°C
  α  = 0,000012/°C

Dita : ∆L = ... ?

Jawab:
       ∆L = Lo. α . ∆T
          = 20 . 0,000012 . 50
          = 0,012 cm

b. Pemuaian luas
Pemuaian luas adalah bertambahnya luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Contohnya kaca jendela pada kondisi udara dingin kaca menyusut dan ketika kondisi udara panas maka kaca akan memuai sehingga akan terlihat terpasang dengan rapat pada kusen kayu. Pemuaian luas merupakan pemuaian panjang yang ditinjau dari dua dimensi sehingga koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Perhitungan luas dapat dilakukan dengan menerapkan rumus matematis sebagai berikut.

                                          
  A  = Ao + ΔA
  ΔA = Ao . β . ΔT
  At = Ao (1 + β . ΔT)
    
Keterangan:
  At = luas akhir (m2)
  Ao = luas mula-mula (m2)
  ∆A = pertambahan luas (m2)
  β  = koefisien muai luas zat (/oC)
  ∆T = kenaikan suhu (oC)

Contoh Soal:
Logam perunggu berukuran 0,2 cm × 50 cm dipanaskan dari suhu 40°C menjadi 90°C.Jika koefisien muai panjang perunggu 0,000018/°C, hitunglah pertambahan luas perunggu!

Penyelesaian:

Diket:
  Ao = 0,2 × 50 = 10 cm2
  ∆T = T1  – To 
     = 90 – 40 = 50°C
  α  = 0,000018/°C
  
Dit   : ∆A = ... ?

Jawab :
        ∆A = A0 . β . ∆T
           = A0 . 2 . α . ∆T
           = 10 . 2 . 0,000018 . 50
           = 0,018 cm

c. Pemuaian volume
Pemuaian volume adalah bertambahnya volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume merupakan pemuaian panjang yang ditinjau dari tiga dimensi sehingga koefisien muai volume besarnya sama dengan 3 kali koefisien muai panjang. Perhitungan volume dapat dilakukan dengan menerapkan rumus matematis sebagai berikut.

    
   Vt = Vo (1 + γ × Δt)

Keterangan:
   V  = volume akhir (m3)
   Vo = volume mula-mula (m3)
   γ  = koefisien muai volume (/oC)
   ∆T = kenaikan suhu (oC)
   

Contoh Soal:
Logam dipanaskan dari suhu 40°C menjadi 80°C mengalami perubahan volume 0,048 cm³. Jika koefisien muai panjang logam 0,00002/°C, tentukan volume logam mula-mula! Penyelesaian:

Diketahui:
∆V = 0,048 cm3
∆T = T1– T0
   = 40°C

Dit  : Vo = ... ?
Jawab:
       ∆V   = Vo . γ . ∆T
  0,048 cm3 = Vo . 3 . α . ∆T
  
Sehingga;
       Vo   = ∆V / 3 . α . ∆T
            = 0,048 / 3 0,00002 40
            = 20 cm3

2. Pemuaian zat cair

Proses yang berkaitan dengan pemuaian zat cair dapat dilihat pada peristiwa memanaskan air di dalam suatu panci. Suatu zat cair yang ada di dalam panci ketika diberi panas sehingga mendidih, maka lama-kelamaan zat cair di dalam panci akan meluap keluar panci akibat adanya pemuaian. Pemuaian zat cair dipengaruhi oleh koefisien muai volumenya. Makin besar koefisien muai volume, maka pemuaian akan makin besar.

3. Pemuaian zat gas

Proses yang berkaitan dengan pemuaian zat gas dapat dilihat pada peristiwa meletusnya balon yang berisi gas ketika dipanaskan di bawah sinar matahari secara langsung. Kondisi ini dapat terjadi karena gas yang ada di dalam balon mengalami pemuaian dan terus terdesak keluar, sehingga balon tidak lagi mampu menahan ikatan partikel karena desakan yang kuat dan mengakibatkan balon menjadi pecah atau meletus. Oleh karena itu, pemuaian zat gas hanya dipengaruhi oleh adanya pemuaian volume gas. Pemuaian gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan secara matematis, sebagai berikut.


Pemuaian gas dapat digolongkan menjadi tiga jenis, yaitu sebagai berikut.

a. Isotermal (pemuaian gas pada suhu tetap) Persamaan yang digunakan untuk menentukan pemuaian gas pada suhu tetap, yaitu sebagai berikut.

   P1.V1 = P2.V2

Keterangan:
   P = tekanan (atm)
   V = volume (m3)

b. Isobarik (pemuaian gas pada tekanan tetap) Persamaan yang digunakan untuk menentukan pemuaian gas pada tekanan tetap, yaitu sebagai berikut.

c. Isokorik (pemuaian gas pada volume tetap) Persamaan yang digunakan untuk menentukan pemuaian gas pada volume tetap, yaitu sebagai berikut.

4. Peristiwa pemuaian dalam kehidupan sehari-hari

Pemuaian dalam kehidupan sehari-hari dapat ditemui dalam peristiwa-peristiwa berikut.

a. Pemuaian pada kabel listrik
Kabel listrik ketika cuaca sangat panas di siang hari akan melengkung dan ketika cuaca mulai dingin di malam hari kabel listrik akan tampak lebih lurus.

b. Pemberian celah dalam pemasangan kaca pada bingkai kayu
Pemberian celah dalam pemasangan kaca pada bingkai kayu dimaksudkan untuk memberi ruang pada kaca ketika terjadi pemuaian dan agar tempatnya dapat mencukupi ketika dipasang kaca.

c. Pemberian celah antara sambungan dua batang rel kereta
Pemberian celah di antara sambungan dua batang rel kereta dimaksudkan agar ketika terjadi pemuaian, maka pemuaian dua rel yang disambung tidak mengalami kondisi melengkung pada relnya. Kondisi di siang hari yang sangat panas inilah yang menyebabkan rel kereta dapat mengalami pemuaian yang sangat besar, dan apabila tidak ada celah maka akan menyebabkan rel dapat melengkung.