04 Pemuaian [PDF]

Citation preview

PEMUAIAN Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda akibat kenaikan suhu zat tersebut. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair, dan gas. Besarnya pemuaian zat sangat tergantung ukuran benda semula, kenaikan suhu dan jenis zat. 1.



Pemuaian Zat Padat Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat disebut Muschen Broek. Dalam eksperimen yang dilakukan menunjukkan bahwa hampir semua benda padat apabila dipanaskan mengalami perubahan panjang, luas dan volume. a. Muai panjang Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda. Besarnya panjang logam setelah dipanaskan adalah sebesar L = L0 + ΔL Besarnya panjang zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat sepanjang 1 m disebut koefisien muai panjang (α). L = Lo {1 + α (t2 – t1)} Keterangan L = panjang setelah pemanasan atau pendinginan (m) L o = panjang awal (m) atau (cm) α = koefisien muai panjang (/0C ) t1 = suhu mula-mula (0C ) t2 = suhu akhir (0C ) Soal: Batang suatu logam pada suhu 10o C memiliki panjang 100 cm. Tentukan panjang tersebut pada suhu 310oC jika α = 1,2x10-5/oC. Pembahasan Diketahui : lo = 100 cm Δt = 300o C Ditanya : l Jawab : l = lo(1 + α Δt) = 100(1 + 1,2x10-5/oC x 300o C) = 100 + 0,36 = 100,36 cm Jadi, panjang logam setelah dipanaskan adalah 100,36 cm.



1



by Restu Boemi



b. 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. Pertambahan luas zat padat untuk setiap kenaikan 1ºC pada zat seluas 1 m2 disebut koefisien muai luas (β). Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah A = A0 + ΔA ΔA = A0 – β Δt A = Ao { 1 + β(t2 – t1)} Keterangan A = luas setelah pemanasan atau pendinginan (m2) Ao = luas awal (m2) atau (cm2) β = koefisien muai luas (/0C) t1 = suhu mula-mula (0C) t2 = suhu akhir (0C) Catatan: β = 2 α Soal : Suatu plat aluminium berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm pada suhu 25 0C. Koefisien muai panjang aluminium 1,2 x 10-5/0C. Tentukan pertambahan luas plat tersebut jika dipanasi hingga suhu 125 0C! Pembahasan Diketahui : So = 20 cm ΔT = 100 0C α = 1,2 x 10-5/0C Ditanya : ΔA Jawab : A0 = S0 x S0 = 20 cm x 20 cm = 400 cm2 β=2α β = 2 x 1,2 x 10-5 /0C = 2,4 x 10-5/0C ΔA = A0 β ΔT = 400 cm2 x 2,4 x 10-5/0C x 100 0C ΔA = 0,96 cm2 Pemuaian luas dapat kita amati pada jendela kaca rumah.



2



by Restu Boemi



c. Muai volume Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P0, lebar L0, dan tinggi h0 dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar V = Vo {1 + γ(t2 – t1)} Keterangan V = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m3) Vo = volume awal (m3) atau (cm3) γ = koefisien muai volume (/0C) t1 = suhu mula-mula (0C) t2 = suhu akhir (0C) Catatan: γ = 3 α Soal 1.



2.



3.



2.



3



Batang logam panjangnya 300 cm dipanaskan dari 25ºC hingga 225ºC mengalami pertambahan panjang sebesar 0,6 cm. Berapa pertambahan batang logam yang sama dengan panjang 200 cm dan dipanaskan dari 20ºC hingga suhu 320ºC Sekeping aluminium panjangnya 40 cm dan lebarnya 30 cm dipanaskan dari 40ºC sampai 140ºC. Jika koefisien muai panjang aluminium adalah 2,5 x 10-5 /º C, berapakah luas keeping aluminium setelah dipanaskan? Besi berbentuk kubus pada suhu 20ºC memiliki panjang rusuk 10 cm. Kubus tersebut dipanaskan hingga suhu 220ºC. Berapa volume kubus pada suhu 220ºC jika koefisien muai panjang besi 1,2 x 105/ºC?



Pemuaian Zat Cair Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut Labu Didih. Sifat utama zat cair adalah menyesuaikan dengan bentuk wadahnya. Oleh karena itu zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal 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. Besaran yang membedakan muai volum zat cair disebut Koefisien muai zat cair. Muai volume zat cair lebih besar dari pada muai volume zat padat. Hal ini dapat dibuktikan, yaitu ketika kita memasak air dan mengisi teko air hingga hamper penuh, ketika teko kita panaskan, air dan teko mengalami by Restu Boemi



pemuaian. Tetapi muai volume air lebih besar dari pada teko sehingga airnya tumpah. Anomali Air Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0º C sampai 4º C volumenya tidak bertambah, akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan Anomali Air. Oleh karena itu, pada suhu 4ºC air mempunyai volume terendah. Hubungan volume dengan suhu pada air dapat digambarkan pada grafik di samping. Pada suhu 4°C, air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikkan dari 0°C – 4°C akan menyusut, dan bila suhunya dinaikkan dari 4°C ke atas akan memuai. Hubungan antara suhu dan volume air dapat digambarkan pada gambar di atas. Biasanya pada setiap benda bila suhunya bertambah pasti mengalami pemuaian. 3.



Pemuaian Zat Gas Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian gas disebut Dilatometer. Salah satu perbedaan antara zat gas dengan zat padat dan cair adalah volume zat gas dapat diubah-ubah dengan mudah. Misal,sebuah tabung gas elpiji. Di dalam tabung gas tentu akan mengadakan tekanan pada dinding tabung. Tekanan ini disebabkan oleh gerakan partikel gas. Peristiwa pemuaian pada zat gas mudah diamati daripada pemuaian pada zat padat. Pemuaian pada zat gas ditunjukkan oleh gelembung-gelembung udara yang keluar dari dalam pipa kapiler yang ada dalam air. Tiga hal yang perlu diperhatikan pada zat gas adalah volume, tekanan dan suhu. Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu: a. pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal), b. pemuaian gas pada tekanan tetap, dan c. pemuaian gas pada volume tetap. 1. Pemuaian Gas pada Suhu Tetap (Isotermal) Pernahkah kalian memompa ban dengan pompa manual? Apa yang kalian rasakan ketika baru pertama kali menekan pompa tersebut? Apa yang kalian rasakan ketika kalian menekannya lebih jauh? Awalnya mungkin terasa ringan. Namun, lama kelamaan menjadi berat. Hal ini



4



by Restu Boemi



karena ketika kita menekan pompa, itu berarti volume gas tersebut mengecil. Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku Hukum Boyle, yaitu gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap. Dirumuskan sebagai P V = tetap atau P1 x V1 = P2 x V2 Ket: P = tekanan gas (atm) V = volume gas (L) Soal: Suatu gas di dalam ruang tertutup memiliki tekanan 1 atm dan volume 4 L. Jika suhu gas dijaga tetap dan tekanan diubah menjadi 2 atm, berapakah volume gas? Pembahasan Diketahui : P1 = 1 atm V1 = 2 L P2 = 2 atm Ditanya : V2? Jawab : P1 x V1 = P2 x V2 1 atm . 4L = 2 atm. V2 = V2 = 2L 2. Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap (Isobar)(Pengayaan) Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku Hukum Gay Lussac, yaitu gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai Ket: V = Volume (L)



5



T = Suhu (K)



Soal: Suatu gas di dalam ruangan tertutup memiliki tekanan 1 atm, suhu 27 0C, dan volume 2,4 L. Berapa volume gas tersebut pada suhu 127 0C jika mengalami proses pemuaian pada tekanan tetap? Pembahasan Diketahui : P = 1 atm T1 = 27 0C = 300 K V1 = 2,4 L T2 = 127 0C = 400 K by Restu Boemi



Ditanya : V2? Jawab :



=



v2 =



= 3,2 L 3. Pemuaian Gas Pada Volume Tetap (Isokhorik) (Pengayaan) Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac, yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan sebagai:



Dengan menggabungkan hukum boyle dan hukum Gay Lussac diperoleh persamaan:



Ket:



P = tekanan (atm) V = volume (L)



T = suhu (K)



a. Untuk volume terhadap perubahan suhu pada tekanan tetap V = Vo {1 + γp (t2 – t1)} Keterangan V = volume gas pada suhu t (m3) Vo = volume gas mula-mula (m3) γp = koefisien muai gas pada tekanan tetap (/0C) t1 = suhu mula-mula (0C) t2 = suhu akhir (0C) b. Tekanan terhadap perubahan suhu pada volume tetap P = Po {1 + γv(t2– t1)} Keterangan P = tekanan gas pada suhu t (m3) Po= tekanan gas mula-mula (m3) γv = koefisien muai gas pada volume tetap (/0C) t1 = suhu mula-mula (0C) t2 = suhu akhir (0C)



6



by Restu Boemi



c. Muai volume gas V = Vo ( 1 + ) Dari hasil eksperimen yang dilakukan ternyata koefisien muai untuk semua jenis gas adalah sama yaitu atau 0,00367/K Soal 1. 2. 3.



7



Suatu gas suhunya 27 0C dipanaskan pada tekanan tetap. Berapa suhu gas tersebut saat volume gas menjadi 3 kali volume semula? Gas di dalam ruang tertutup pada suhu 27 0C dan tekanan 2 atm memiliki volume 2,4 L. Berapa volume gas tersebut pada suhu 227 0C dan tekanan 3 atm? Sejumlah gas dengan volume 4 L pada tekanan 1,5 atm dan suhunya 27 0C. Kemudian gas tersebut dipanaskan hingga suhunya 47 0C dan volumenya 3,2 L. Berapakah tekanan gas setelah dipanaskan?



4.



Masalah yang Ditimbulkan oleh Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari a. Pemasangan kaca jendela b. Celah pemuaian pada sambungan jembatan c. Sambungan rel kereta api d. Kawat telepon atau kawat listrik



5.



Penerapan Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari Beberapa manfaat pemuaian yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, antara lain: a. Pengelingan Menyambung dua pelat dengan menggunakan paku khusus dengan proses khusus disebut mengeling. Bagaimanakah cara pemasangan paku keling? Paku keling yang dipakai untuk mengeling sesuatu dalam keadaan panas sampai berpijar dan dimasukkan ke dalam lubang pelat yang hendak kita keling. Kemudian paku bagian atas dipukul-pukul sampai rata. Setelah dingin paku keling tersebut akan menyusut dan menekan kuat pelat tersebut. Pengelingan dapat kamu jumpai pada pembuatan badan kapal laut. b. Keping bimetal Dua keping logam yang mempunyai koefisien muai panjang berbeda dikeling menjadi satu disebut keping bimetal. Keping bimetal peka terhadap perubahan suhu. Jika keping bimetal dipanaskan, maka akan melengkung ke arah logam yang angka koefisien muai panjangnya kecil. by Restu Boemi



Bila didinginkan, keping bimetal akan melengkung ke arah logam yang angka koefisien muai panjangnya besar. Perbedaan pemuaian ini dipakai sebagai termostat. Termostat adalah alat yang berfungsi ganda sebagai saklar otomatis dan sebagai pengatur suhu. Beberapa alat yang memanfaatkan keping bimetal dalam termostat, antara lain: setrika listrik, almari es, bel listrik, alarm kebakaran, lampu sen mobil atau motor, rice cooker, oven. c. Pemasangan bingkai roda logam pada pedati dan kereta api Roda pedati dan roda kereta api memiliki ukuran lebih kecil daripada ukuran bingkainya. Untuk dapat memasang roda logam tersebut , maka dengan cara pemanasan. Hal ini mengakibatkan roda logam akan mengalami pemuaian. Kemudian roda logam tersebut dipasang pada bingkainya, setelah dingin roda akan menyusut dan terpasang pada bingkainya dengan kuat.



8



by Restu Boemi