Pemuaian

Setiap zat baik berwujud padat, cair, dan gas tersusun oleh partikel-partikel terkecil seperti atom, molekul ataupun ion. Partikel-partikel terkecil ini terseusun sedemikian rupa sesuai dengan susunan kimia dan mengikuti kaidah fisika. Ketika adanya perubahan suhu atau perpindahan kalor, maka susunan tersebut (ikatan antar partikel) berubah. Jika terjadi peningkatan suhu, maka ikatan antar partikel akan semakin renggang, dan sebalikya jika terjadi penurunan suhu, maka ikatan antar partikel merapat. Merenggang dan merapatnya ikatan antar partikel ini yang menunnjukkan adanya penambahan ukuran benda tersebut.

Contoh pemuaian pada benda padat:

Berdasarkan contoh diatas, dapat kita simpulkan bahwa semakin besar peningkatan suhu maka semakin besar ukuran yang bertambah. Oleh karena itu, pemuaian benda dipengaruhi oleh tiga faktor yaitu, (1) ukuran awal (panjang, luas, atau volume), (2) kenaikan suhu, dan (3) koefisien muai benda.

A. Pemuaian Benda Padat

Pemuaian benda padat terjadi dalam tiga kategori, yaitu (1) pemuaian panjang, (2) pemuaian luas, dan (3) pemuaian volume. Penambahan ukuran (mis: panjang), maka dapat dihitung dengan persamaan:

Untuk mengukur pemuaian yang terjadi dapat menggunakan persamaan:

Pemuaian Panjang:

Pemuaian Luas:

Pemuaian Volume:

Keterangan:

L/A/V = Panjang/ Luas/ Volume setelah pemuaian (m)

L₀ /A₀/V₀= Panjang/ Luas/ Volume mula-mula (m)

α = koefisien muai panjang benda (/⁰C)

β = koefisien muai luas benda (/⁰C) = 2α

γ = koefisien muai volume benda (/⁰C) = 3α

t₁ = suhu akhir (⁰C)

t0 = suhu awal (⁰C)

Berdasarkan beberapa percobaan, beberapa koefisien muai panjang benda dapat ditetapkan antara lain:

Berdasarkan tabel diatas, dapat dilihat setiap kenaikan 1⁰C aluminium mengalami pernambahan panjang sebesar 0,000024 m. Maka dapat disimpulkan, koefisien muai panjang merupakan penambahan panjang benda setiap kenaikan suhu 1⁰C.

Contoh Soal:
Sebuah pipa tembaga panjang 1m dengan suhu 25⁰C. Panjang pipa pada suhu 50⁰C adalah ….
a. 100,00425 cm
b. 100,0425 cm
c. 100,425 cm
d. 101,1875 cm

Penyelesaian:
Diketahui:
L₀ = 1 m

t₁  = 50⁰C

t₀ = 25⁰C

α = 0,000017 /⁰C (lihat tabel)

Ditanya :

L = ...?

Jawab:

L = 1 m { 1+ 0,000017 /⁰C (50⁰C - 25⁰C)}

L = 1,000425 m = 100,0425 cm ..........(B)

Latihan:
Besi panjang panjang 1 meter dipanaskan dari 20⁰C menjadi 220⁰C. Jika koefisien muai panjang besi 0,000012/⁰C, berapakah panjang besi sekarang?

B. Pemuaian Benda Cair

Berbeda dengan zat padat, zat cair hanya memiliki volume. Dengan demikian, zat cair hanya memiliki pemuaian volume. Sama halnya dengan zat padat persamaan menghitung pemuaian volume adalah 

Dengan koefisien muai volume (γ) benda zat cair berdasarkan ketetapan yang ada (dengan kata lain γ tidak sama dengan 3α). Adapun beberapa koefisien muai volume beberapa benda cair, yaitu:

Contoh Soal:

Pada suhu 0⁰C volume alkohol 300 cm³. Jika koefisien muai ruang alkohol 0,001/⁰C dan alkohol dinaikkan suhunya menjadi 40⁰C, berapakah pertambahan volume alkohol tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

V₀ = 300 cm³

t₁  = 40⁰C

t₀ = 0⁰C

 γ = 0,00120 /⁰C (lihat tabel)

Ditanya :

∆V = ...?

Jawab:

V = 300 cm³ {1+ 0,00120 /⁰C(40⁰C-0⁰C)}

V = 314,4 cm³

Jadi, ∆V = V - V₀

∆V = 314,4 cm³ - 300 cm³ = 14,4 cm³.

Latihan:

Volume bensin pada sebuah tangki yang suhunya 0°C sebanyak 5 liter. Jika koefisien muai ruang bensin 0,00095/°C, volume bensin pada suhu 50°C sebanyak . . . liter.

a. 5,0000 

b. 5,2375

c. 6,3425

d. 7,7350

C. Pemuaian Pada Zat Gas

Sama halnya dengan benda cair, zat gas juga hanya memiliki pemuaian volume. Namun, dalam pemuaian pada benda padat akan ditandai dengan penambahan volume dan peningkatan tekanan.

(1) Jika volume bertambah, tekanan tetap, maka pemuaian volume dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

(2) Jika volume tetap, tekana berubah, maka dari hasil eksperimen yang dilakukan ternyata koefisien muai untuk semua jenis gas adalah sama yaitu 1/273 K atau 0,00367 /K. Sehingga untuk menghitung pemuaian tekanan gas adalah 

Keterangan:

P = tekanan setelah pemuaian (mmHg)

P0 = tekanan mula-mula (mmHg)

Penangan Masalah yang Ditimbulkan oleh Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari

1. Pemasangan kaca jendela. Apabila desain jendela tidak diberi ruangan pemuaian, maka saat kaca memuai akan mengakibatkan retaknya kaca tersebut.
2. Celah pemuaian pada sambungan jembatan. Sambungan antara dua jembatan beton terdapat celah di antaranya. Hal ini bertujuan agar jembatan tersebut tidak melengkung saat terjadi pemuaian.
3. Sambungan rel kereta api. Sambungan rel kereta api dibuat ada celah diantara dua batang rel tersebut. Hal ini bertujuan agar saat terjadi pemuaian tidak menyebabkan rel melengkung. Rancangan yang sering digunakan sekarang ini sambungan rel kereta api dibuat bertautan dengan ujung rel tersebut dibuat runcing. Penyambungan seperti ini memungkinkan rel memuai tanpa menyebabkan kerusakan.
4. Kawat telepon atau kawat listrik. Pemasangan kawat telepon atau kawat listrik dibiarkan kendor saat pemasangannya pada siang hari. Hal ini dilakukan dengan maksud, pada malam hari kawat telepon atau listrik mengalami penyusutan sehingga kawat tersebut tidak putus.

Pemanfaatan Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari

1. Pengelingan. 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.
2. 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. 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.
3. 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.