Pernahkah kamu bertanya-tanya, kenapa ya volume air saat mendidih akan bertambah?
Fenomena di atas itu ada kaitannya dengan pemuaian. Tentunya, ketika kita duduk di bangku SD dan SMP, kita sudah pernah mempelajari tentang pemuaian ini.
Pada mata pelajaran Fisika kelas 11, kita kembali bertemu dengan materi pemuaian ketika mempelajari tentang suhu dan kalor.
Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda akibat kenaikan suhu. Pemuaian terjadi karena partikel dalam zat bergerak lebih cepat dan saling menjauh ketika dipanaskan.
Terdapat 3 jenis pemuaian zat, yaitu zat padat, cair dan gas. Yuk kita bahas satu persatu!
Pemuaian pada zat padat terjadi ketika suatu benda padat dipanaskan, sehingga panjang, luas, atau volumenya bertambah.
1. Pemuaian Panjang
Terjadi pada benda padat yang berbentuk panjang, seperti kawat atau batang logam.
Rumus:
ΔL = L0 . α . ΔT
Keterangan:
ΔL = Pertambahan panjang (m)
L0 = Panjang awal (m)
α = Koefisien muai panjang (/℃)
ΔT = Perubahan suhu (℃)
Contoh soal:
Batang aluminium memiliki panjang awal 2 meter pada suhu 30°C. Jika koefisien muai panjang aluminium adalah 2,4 × 10⁻⁵ /°C, hitunglah panjang batang tersebut pada suhu 80°C!
Jawaban:
Diketahui:
L₀ = 2 m
α = 2,4 × 10⁻⁵ /°C
ΔT = 80 - 30 = 50°C
Penyelesaian:
ΔL = L₀ × α × ΔT
ΔL = 2 × 2,4 × 10⁻⁵ × 50 = 0,0024 m
Panjang akhir batang:
L = L₀ + ΔL = 2 + 0,0024 = 2,0024 m
Jadi, panjang batang aluminium pada suhu 80°C adalah 2,0024 meter.
2. Pemuaian Luas
Terjadi pada benda berbentuk lempengan atau pelat.
Rumus:
ΔA = A0 . β . ΔT
Keterangan:
ΔA = Pertambahan luas (m2)
A0 = Luas awal (m2)
β = Koefisien muai luas (/℃), di mana β = 2α
ΔT = Perubahan suhu (℃)
Contoh soal:
Sebuah lempengan besi berbentuk persegi dengan panjang sisi 50 cm mengalami kenaikan suhu dari **30°C menjadi 80°C**. Jika **koefisien muai panjang besi adalah (12 × 10⁻⁶) /°C, hitunglah pertambahan luas lempengan besi setelah dipanaskan.
Jawaban:
Diketahui:
A₀ = 50 cm
T₀ = 30°C
T= 80°C
ΔT = 80 - 30 = 50°C
α = 12 × 10⁻⁶ /°C
β = 2α = 2 × (12 × 10⁻⁶) = 24 × 10⁻⁶ /°C
Penyelesaian:
ΔA = A₀ × β × ΔT
(A₀) = 50² = 2500 cm²
ΔA = (2500) × (24 × 10⁻⁶) × (50)
ΔA = 2500 × 0.000024 × 50
ΔA = 3 cm²
Jadi, pertambahan luas lempengan besi adalah 3 cm².
3. Pemuaian Volume
Terjadi pada benda berbentuk kubus atau benda padat dengan volume tertentu.
Rumus:
ΔV = V0 . γ . ΔT
Keterangan:
ΔV = Pertambahan volume (m3)
V0 = Volume awal (m3)
γ = Koefisien muai volume (/℃), di mana γ = 3α
ΔT = Perubahan suhu (℃)
Contoh soal:
Sebuah volume minyak sebanyak 500 ml disimpan pada suhu 20°C. Jika koefisien muai volume minyak adalah 0,0009 /°C, berapa volume minyak tersebut setelah suhu meningkat menjadi 70°C?
Jawaban:
Diketahui:
V₀ = 500 ml
γ = 0,0009 /°C
ΔT = 70 - 20 = 50°C
Penyelesaian:
ΔV = V₀ × γ × ΔT
ΔV = 500 × 0,0009 × 50 = 22,5 ml
Volume akhir minyak:
V = V₀ + ΔV = 500 + 22,5 = 522,5 ml
Jadi, volume minyak setelah dipanaskan menjadi 522,5 ml.
Pemuaian zat cair terjadi ketika cairan dipanaskan dan volumenya bertambah.
Berbeda dengan zat padat, zat cair hanya mengalami pemuaian volume, bukan panjang atau luas sehingga
digunakan persamaan sebagai berikut:
ΔV = V0 . γ . ΔT
Keterangan:
ΔV = Pertambahan volume (m3)
V0 = Volume awal (m3)
γ = Koefisien muai volume (/℃), di mana γ = 3α
ΔT = Perubahan suhu (℃)
Koefisien muai volume zat cair lebih besar dibanding zat padat, sehingga lebih mudah memuai.
Anomali air: Air memiliki sifat unik, di mana saat suhu turun dari 4°C ke 0°C, volumenya justru bertambah, bukan menyusut.
Contoh soal:
Sebuah gelas ukur berisi 200 mL airpada suhu 25°C. Air tersebut kemudian dipanaskan hingga suhu 75°C. Jika koefisien muai volume air adalah (0,00021) /°C, tentukan:
a) Pertambahan volume air setelah dipanaskan.
b) Volume akhir air setelah pemanasan.
Jawaban:
Diketahui:
V₀) = 200 mL
T₀ = 25°C
T = 75°C
ΔT = 75 - 25 = 50°C
γ = 0,00021 /°C
Penyelesaian:
a) Menghitung pertambahan volume
ΔV = V₀ × γ × ΔT
ΔV = (200) × (0,00021) × (50)
ΔV = 200 × 0,0105
ΔV = 2,1 mL
Jadi, pertambahan volume air setelah pemanasan adalah 2,1 mL.
b) Menghitung volume akhir
V = V₀ + ΔV
V = 200 + 2,1
V = 202,1 mL
Jadi, volume akhir air setelah pemanasan adalah 202,1 mL.
Pemuaian zat gas berbeda dengan zat padat dan cair karena gas dapat mengembang bebas sesuai wadahnya.
Pemuaian gas dapat dijelaskan melalui hukum gas ideal, seperti berikut:
1.Hukum Gay-Lussac
V1 / T1 = V2 / T2
Pada hukum Gay-Lussac menyatakan bahwa jika jumlah gas dan tekanan tetap, maka volume gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya (dalam kelvin). Artinya, jika suhu gas meningkat, volume gas juga akan bertambah (memuai). Contohnya pada gas dalam balon akan mengembang jika dipanaskan karena suhu naik sehingga volume gas bertambah.
2. Hukum Boyle
P1V1 = P2V2
Hukum Boyle menyatakan bahwa jika suhu dalam jumlah mol gas tetap, maka tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya. Artinya, jika volume diperkecil, tekanan gas akan meningkat dan jika volume diperbesar, tekanan gas akan menurun. Contohnya, jika kita menekan pompa udara, volume ruang berkurang sehingga tekanan udara di dalamnya bertambah.
3. Hukum Charles
P1 / T1 = P2 / T2
Hukum Charles (kadang juga disebut hukum tekanan suhu) menyatakan bahwa pada volume tetap tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya. Jika suhu meningkat, maka tekanan gas juga meningkat. Contohnya saat kaleng aerosol dipanaskan, suhu gas di dalamnya akan naik tetapi volume kaleng tetap, sehingga tekanan gas dalam kaleng akan meningkat.
Contoh soal:
Sebuah balon udara berisi gas dengan volume 300 m³ pada suhu 20°C. Balon tersebut dipanaskan hingga suhu mencapai 80°C. Hitunglah volume gas setelah pemanasan jika tekanan tetap!
Jawaban:
Diketahui:
V₁ = 300 m³
T₁ = 20°C = 293 K
T₂ = 80°C = 353 K
Penyelesaian:
(V₁ / T₁) = (V₂ / T₂)
V₂ = V₁ × (T₂ / T₁)
V₂ = 300 × (353 / 293)
V₂ = 300 × 1,204
V₂ = 361,2 m³
Jadi, volume gas setelah dipanaskan adalah 361,2 m³.
Contoh pemuaian zat dalam kehidupan sehari-hari
Rel Kereta Api yang diberi celah pemuaian untuk menghindari pemuaian yang dapat menyebabkan rel melengkung.
Termometer memanfaatkan pemuaian zat cair untuk mengukur suhu.
Balon udara akan terbang karena udara di dalamnya dipanaskan, sehingga gas mengalami pemuaian.
Kabel listrik dan jaringan dipasang agak kendur untuk mengantisipasi penyusutan saat dingin.
