Pemuaian Zat

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian terjadi pada 3 zat yaitu pemuaian pada zat padat, pada zat cair, dan pada zat gas. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang (untuk satu demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk tiga dimensi). Sedangkan pada zat cair dan zat gas hanya terjadi pemuaian volume saja, khusus pada zat gas biasanya diambil nilai koefisien muai volumenya sama dengan 1/273.

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

Muai panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali.

Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu. Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda atau jenis bahan. Berikut beberapa koefisien muai panjang benda padat.

Koefisien muai panjang berbagai jenis zat padat
No.	Jenis zat	Koefisin muai panjang ( /°C )
1.	Aluminium	0,000024/°C
2.	Perunggu	0,000019/°C
3.	Baja	0,000011/°C
4.	Tembaga	0,000017/°C
5.	Kaca	0,000009/°C
6.	Pirek	0,000003/°C
7.	Berlian	0,000001/°C
8.	Grafit	0,000008/°C

Secara matematis persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan panjang benda setelah dipanaskan pada suhu tertentu adalah

L = Lo { 1 + α ( t2 – t1 ) }

Keterangan
L     = panjang setelah pemanasan atau pendinginan (m) atau (cm)
L o  = panjang awal (m) atau (cm)
α     = koefisien muai panjang ( /°C )
t1    = suhu mula-mula ( °C )
t2    = suhu akhir ( °C )

Contoh Soal:

Panjang sebatang alumunium pada suhu 0° C adalah 100 cm. Berapa panjang pada suhu 100° C, bila angka koefisien muai panjangnya 0,000024/° C ?

Pembahasan : Diketahui  :  L0= 100 cm t1 = 0°C t2 = 100°C α  = 0,000024/°C Ditanya : L

Jawab :  L = Lo { 1 + α ( t2 – t1 ) } L = 100 { 1 + 0,000024 (100 - 0)    =100{ 1 + 0,000024 x 100}    = 100 {1,0024)    = 100,24 Jadi, panjang sebatang alumunium = 100,24 cm

b. Muai luas

Muai luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada. Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang lebar sekali dan tipis.

Seperti halnya pada pemuian luas faktor yang mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang.   Untuk menentukan pertambahan luas dan volume akhir digunakan persamaan sebagai berikut :

A = Ao { 1 + β ( t2 – t1 ) }

Keterangan
A   = luas setelah pemanasan atau pendinginan (m2) atau (cm2)
Ao = luas awal (m²) atau (cm²)
β    = koefisien muai luas ( /°C )
t1  = suhu mula-mula ( °C )
t2  = suhu akhir ( °C )
Catatan
β = 2α 
Contoh Soal :

Suatu plat aluminium berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm pada suhu 25°C. Koefisien muai panjang aluminium 0,000024/°C. Tentukan pertambahan luas plat tersebut jika dipanasi hingga suhu 125°C !

Pembahasan : Diketahui  :  A0= 20 x 20 =400 cm² t1 = 25°C t2 = 125°C β = 2 α  =2 x 0,000024/°C               = 0,000048 Ditanya : A

Jawab :  A = Ao { 1 + β ( t2 – t1 ) } A = 400 { 1 + 0,000048 (125 - 25)    = 400{ 1 + 0,000048 x 100}    = 400 {1,0048)    = 101,92 Jadi, luas plat alumunium = 101,92 cm

c. Muai volume

Muai volume dalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang. 

Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume dan volume akhir suatu benda tidak jauh beda pada perumusan sebelum. Hanya saja beda pada lambangnya saja. Perumusannya adalah

V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) }

Keterangan
V   = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m³) atau (cm³)
Vo = volume awal (m³) atau (cm³)
γ    = koefisien muai volume ( /°C)
t1  = suhu mula-mula (°C)
t2  = suhu akhir (°C)
Catatan
γ = 3α

Contoh Soal :

Sebuah bola tembaga pada suhu 15°C volumenya 1 m³. Berapakah volume tembaga itu pada suhu 100°C ? Koefisien muai ruang tembaga = 0,000017 /°C.

Pembahasan : Diketahui  :  V0= 1 m³ t1 = 15°C t2 = 100°C γ = 3α = 3 x 0,000017               = 0,000051 /°C Ditanya : V

Jawab :  V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) } V = 1 { 1 + 0,000051 (100 - 15)    =  1 { 1 + 0,000051 x 85 }    =  1 {1,004335)    = 1, 004335 Jadi, ruang tembaga setelah memuai = 1, 004335 m³

2. 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 hanya memiliki muai volume saja. Secara matematis rumus pemuaian zat cair sebagai berikut

V2 = V1( 1 + γ x Δt)

Keterangan

V2  = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m³) atau (cm³)

V1  = volume awal (m³) atau (cm³)

γ    = koefisien muai volume ( /°C)

t1   = suhu mula-mula (°C)

t2   = suhu akhir (°C)

Δt  = t2 - t1

Berikut beberapa koefisien muai volume zat cair.

Koefisien muai volume zat cair
No.	Jenis zat	Koefisin muai volume ( /°C )
1.	Air raksa	0,00018/°C
2.	Alkohol	0,00120/°C
3.	Aseton	0,00150/°C
4.	Air	0,00021/°C
5.	Bensin	0,00095/°C

Contoh Soal
Roni memanasi air sebanyak 10 liter dari suhu 10°C menjadi 60°C. Jika koefisien muai ruang air 0,00021/°C, hitung volume air setelah dipanaskan !

Pembahasan : Diketahui  :  V1= 10 liter t1 = 10°C t2 = 60°C Δt = t2 - t1 = 60 - 50 = 10 γ = 0,00021/°C Ditanya : V2

Jawab :  V2 = V1( 1 + γ x Δt)      = 10 ( 1 + 0,00021 x 50 )      = 10 ( 1 + 0,0045 )      = 10 x 1,045      = 10, 45 Jadi, volume air setelah dipanaskan = 10,45 liter

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. Gas akan mengalami pemuaian apabila dipanaskan. 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 pada labu didih.

Tiga hal yang perlu diperhatikan pada zat gas adalah volume, tekanan dan suhu.

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 ( /°C)

t1 = suhu mula-mula ( °C )

t2 = suhu akhir ( °C )

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 ( /°C)

t1 = suhu mula-mula ( °C )

t2 = suhu akhir ( °C )

c. Muai volume gas

V = Vo ( 1 + t/273 )

Dari hasil eksperimen yang dilakukan ternyata koefisien muai untuk semua jenis gas adalah sama yaitu 1/273 /K atau 0,00367 /K.