Pada umumnya, benda atau zat padat akan memuai atau mengembang jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Pemuaian dan penyusutan itu terjadi pada semua bagian benda, yaitu panjang, lebar, dan tebal benda tersebut. Jika benda padat dipanaskan, suhunya akan naik. Pada suhu yang tinggi, atom dan molekul penyusun logam tersebut akan bergetar lebih cepat dari biasanya sehingga logam tersebut akan memuai ke segala arah. Para perancang bangunan, jembatan, dan jalan raya harus memperhatikan sifat pemuaian dan penyusutan bahan karena perubahan suhu. Sehingga sambungan-sambungan besi baja tidak boleh dipasang saling rapat satu dengan lainnya agar ketika memuai ada ruang yang dapat digunakan.
A. Pemuaian Panjang Zat Padat
Panjang logam mula-mula sama, untuk logam yang berbeda ternyata pertambahan panjangnya benda karena pemuaiannya juga berbeda. Besaran yang menentukan pemuaian panjang zat padat adalah koefisien muai panjang. Koefisien muai panjang suatu zat padat adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang tiap satu satuan panjang zat itu jika suhunya dinaikkan 1°C . Sebagai contoh, jika muai panjang kaca 9 x 10-6/°C berarti jika 1 meter kaca suhunya bertambah 1°C maka panjangnya bertambah 0,000009 meter.
Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan alat Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat Musschenbroek dipanaskan maka batang logam akan bertambah panjang. Namun, pertambahan panjang batang logam yang satu dengan yang lain berbeda. Artinya, tingkat pemuaian logam-logam tersebut juga berbeda. Logam yang paling besar pemuaiannya akan mendorong jarum penunjuk hingga berputar paling jauh, sedangkan logam yang pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk berputar paling dekat.
Alat Musschenbroek dapat digunakan untuk menentukan muai panjang suatu zat padat. Alat tersebut dapat menunjukkan pemuaian dan pertambahan panjang zat padat jika dipanaskan, pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu, dan pemuaian zat padat sebanding dengan kenaikan suhunya. Berikut ini beberapa koefisien muai panjang benda,
Panjang logam mula-mula sama, untuk logam yang berbeda ternyata pertambahan panjangnya benda karena pemuaiannya juga berbeda. Besaran yang menentukan pemuaian panjang zat padat adalah koefisien muai panjang. Koefisien muai panjang suatu zat padat adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang tiap satu satuan panjang zat itu jika suhunya dinaikkan 1°C . Sebagai contoh, jika muai panjang kaca 9 x 10-6/°C berarti jika 1 meter kaca suhunya bertambah 1°C maka panjangnya bertambah 0,000009 meter.
Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan alat Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat Musschenbroek dipanaskan maka batang logam akan bertambah panjang. Namun, pertambahan panjang batang logam yang satu dengan yang lain berbeda. Artinya, tingkat pemuaian logam-logam tersebut juga berbeda. Logam yang paling besar pemuaiannya akan mendorong jarum penunjuk hingga berputar paling jauh, sedangkan logam yang pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk berputar paling dekat.
| Jenis Bahan | Koefisien Muai Panjang (/°C) |
|---|---|
| Kaca biasa | 0,000009 |
| Kaca Pyrex | 0,000003 |
| Aluminium | 0,000026 |
| Kuningan | 0,000019 |
| Baja | 0,000011 |
Jika dituliskan secara matematis maka :
| Koefisien muai panjang = | Pertambahan anjang |
| Panjang mula-mula x kenaikan suhu |
Jika dalam bentuk lambang:
| α = | ΔL |
| L0 x Δt |
Pertambahan panjang merupakan panjang akhir dikurangi panjang mula-mula :(L1 – L0)
| α = | L1 – L0 |
| L0 x Δt |
Maka, panjang benda setelah pemuaian dapat ditentukan, yakni : L = L0+L0(α x Δt)
Keterangan :
L = Panjang akhir (m)
L0 = Panjang mula-mula (m)
ΔL = Pertambahan panjang (m)
α = Koefisien muai panjang (/ºC)
Δt = Kenaikan suhu (ºC)
Contoh penerapan :
Panjang aluminium pada suhu 30°C adalah 100 cm. Koefisien muai panjang aluminium adalah 0,000025/°C, hitung panjang aluminium itu pada suhu 80°C!.
Diketahui : L0 = 100 cmΔt= t1 - t0
= 80°C - 30°C
= 50°C
α = 0,000025/°C
Ditanyakan : L ?
Penyelesaian :
L = L0+ L0(α x Δt)
= 100 + 100 (0,000025 x 50)
= 100 + 0,125
= 100,125
Jadi, panjang aluminium pada suhu 80°C adalah 100,125 cm.
Pada suhu 0°C, panjang sebatang besi adalah 200 cm. Jika suhu besi dinaikkan menjadi 100°C, ternyata panjang besi itu menjadi 200,24 cm. Tentukan koefisien muai panjang besi.
Diketahui :
L0 = 200 cm
L = 200,24
T0 = 0°C
T1 = 100°C
Ditanyakan : α?
Penyelesaian :
α : 0,010012
Panjang sebatang baja pada 20°C adalah 40 cm. Jika koefisien muai panjang baja 0,00002/°C, berapa panjangnya pada suhu 70 °C?
Diketahui : L0 = 40 cm
α = 0,00002/°C
Δt = t1 - t0 = 70°C - 20°C = 50°C
Ditanyakan : L?
Penyelesaian :
L= L0+ L0(α x Δt)
= 40 + 40 (0,00002 x 50)
= 40 + 0,4
= 40,4Diketahui :
L0 = 200 cm
L = 200,24
T0 = 0°C
T1 = 100°C
Ditanyakan : α?
Penyelesaian :
| α = | ΔL |
| L0 x Δt |
| α = | 200,24 |
| 200 x 100 |
| α = | 200,24 |
| 20.000 |
Panjang sebatang baja pada 20°C adalah 40 cm. Jika koefisien muai panjang baja 0,00002/°C, berapa panjangnya pada suhu 70 °C?
Diketahui : L0 = 40 cm
α = 0,00002/°C
Δt = t1 - t0 = 70°C - 20°C = 50°C
Ditanyakan : L?
Penyelesaian :
L= L0+ L0(α x Δt)
= 40 + 40 (0,00002 x 50)
= 40 + 0,4
Jadi, panjang aluminium pada suhu 70°C adalah 40,4 cm.
b. Pemuaian Luas dan Volume Zat Padat
Partikel-partikel zat padat selalu bergerak (bergetar). Gerakan partikel makin cepat sehingga memerlukan ruangan antara partikel yang lebih besar. Jarak antara partikel makin besar, zat padat itu memuai, bertambah panjang, bertambah luas, dan akhirnya bertambah volumenya. Jika suatu benda ber bentuk lempengan dipanaskan, pemuaian terjadi pada kedua arah sisi-sisinya. Pemuaian semacam ini disebut pemuaian luas. Pemasangan pelat-pelat logam selalu memperhatikan terjadinya pemuaian luas.
- Pemuaian luas memiliki koefisien muai sebesar dua kali koefisien muai panjang. Berdasarkan data dalam di atas, maka lempengan baja memiliki koefisien muai luas sebesar 0,000022/°C.
- Benda-benda yang berdimensi tiga (memiliki panjang, lebar, dan tinggi) akan mengalami muai ruang jika dipanaskan. Pemuaian ruang memiliki koefisien muai tiga kali koefisien muai panjang. Balok baja jika dipanaskan akan memuai dengan koefisien muai sebesar 0,000033/°C.
Pemuaian Zat Cair dan Gas
Sebagaimana zat padat, zat cair juga memuai jika dipanaskan. Bahkan, pemuaian zat cair relatif lebih mudah atau lebih cepat teramati dibandingkan dengan pemuaian zat padat. Gas juga memuaijika dipanaskan. Sifat pemuaian gas harus diperhatikan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya ketika memompa ban sepeda jangan terlalu keras, seharusnya sesuai ukuran.
