Pemuaian benda padat

Hampir semua zat memuai kalau dipanaskan, kecuali

bismuth dan air yang menyusut ketika dipanaskan.

Pemuaian berbagai jenis zat padat diselidiki dengan alat

Musschenbreok

Beberapa batang logam yang panjangnya sama dijepit di A, sedangkan ujung lainnya

bersandar bebas pada B puncak batang menyinggung sebuah tuas D yang dilengkapi jarum E. Jika

batang dipanasi dengan api yang dinyalakan di C, jarum akan bergerak ke atas sepanjang skala.

Batang tersebut bertambah panjang.

Pertambahan panjang batang logam disebut muai panjang. Berdasarkan percobaan dengan

menggunakan alat Muschenbroek di dapatkan bahwa muai panjang:

1. sebanding dengan kenaikan suhu

2. sebanding dengan panjang batang semula

3. bergantung pada jenis logam

Koefisien muai panjang

Koefisien muai panjang ialah bilangan yang menyatakan pertambahan panjang suatu batang

logam setiap satuan panjang zat bila suhunya bertambah 10C. Misal, mempunyai sebatang besi

yang panjangnya 100 cm pada suhu 00C. Kemudian, batang dipanaskan secara merata sampai suhu

00C sehingga panjangnya menjadi 100,12 cm. Jadi, batang panjang bertambah 0,12 cm.

Untuk setiap 1 cm, pertambahan panjang batang adalah 0,0012 cm. dengan demikian, jika

panjang batang itu 1 cm dan dipanasi dari 10C, panjangnya bertambah sebesar 0,000012 cm.

Berarti, koefisien muai panjang besi adalah 0,000012 tiap 0C

Koefisiem muai panjang ( ) dirumuskan sebagai

Dengan ∆l = selisih panjang batang (cm)

∆t = selisih suhu (0C)

L0 = panjang batang mula-mula (cm)

Oleh karena selisih panjang batang ∆l = l – l0 dan selisih ∆t = t – t0 , maka persamaan di atas

menjadi

Dengan l = panjang batang akhir (cm)

l0 = panjang batang mula-mula (cm)

t = suhu akhir (0C )

t0 = suhu mula-mula (0C)

tL

l

0

)( 00

0

ttL

ll

Standar Kompetensi : 3. Memahami wujud zat dan perubahannya

Kompetensi Dasar : 3.3 Melakukan percobaan yang berkaitan dengan pemuaian dalam kehidupan

sehari-hari

PEMUAIAN

1. Pasanglah sebatang logam pada penyangga seperti Gambar

disamping!

2. Panaskan batang logam tersebut

3. Perhatikan, apakah buat masih bias diputar dengan kuat?

Mejngapa demikian?

4. Kemudian, dinginkan batang logam dengan air. Apa yang

terjadi?

PERCOBAAN

satuan ∆l merupakan satuan panjang dan satuan l0∆t merupakan panjang × satuan suhu berarti

satuan koefisien mulai panjang ialah:

satuan panjang 1

atau / 0C

satuan panjang × satuan suhu satuan suhu

Panjang batang setelah dipanaskan adalah

Untuk lebih memahami pemuaian panjang, kita dapat melakukan Percobaan berikut:

Contoh soal:

1. Panjang sebatang besi pada suhu 200C ialah 65 cm. Bila koefisien muai panjang besi

0,000012/0C, Berapakah panjangnya pada suhu 80

0C?

Penyelesaian:

l = l0 (1 + ∆t)

= 65 (1 + 0,000012 × 60) cm

= 65 (1 + 0,00072) = 65,0468

2. Panjang sebatang kuningan pada suhu 200C ialah 50 cm. Berapakah panjangnya pada suhu

1000C ? Koefisien muai panjang kuningan 0,000019/

0 C?

l = l0 (1 + ∆t)

= 50 (1 + 0,000019 × 80)

= 50 × 1,00152 = 50,076 cm

Pemuaian benda cair

Zat cair tidak mengalami muai panjang, sebab bentuknya tidak tetap. Zat cair

umumnya mengalami pertambahan volume. Pertambahan volume zat cair jika dipanasi

disebut muai ruang. Pemuaian zat cair dapat diselidiki dengan dilatometer, yaitu

sebuah labu kaca yang mempunyai pipa kecil dilengkapi skala

Mula-mula dilatometer diisi dengan sejenis zat cair, misalnya alcohol sampai

garis 0. kemudian, labu berisi alkohol tesebut dicelup ke dalam bak yang berisi air

=

)1(0 tll

panas. Permukaan alkohol mula-mula turun sedikit, kemudian naik dengan cepat melampaui

kedudukannya semula. Hal ini disebabkan pemuaian zat cair lebih besar daripada pemuaian kaca.

Pemuaian Gas

Semua gas memuai kalau dipanaskan. Akan tetapi, gas tidak mengalami muai panjang. Gas

hanya mengalami muai volume, sebab bentuk dan volumenya mudah berubah. Pemuaian gas jauh

lebih besar daripada pemuaian benda padat dan cair. Gas dapat dipanasi dengan cara sebagai

berikut.

a) Tekanan tetap

Pemanasan gas pada tekanan tetap dilakukan dengan cara berikut. Sebuah bola kaca A

mempunyai pipa sempit B. Di dalam pipa terdapat setetes raksa C. Jika bola kaca dipanasi

sedikit, maka raksa akan bergerak ke kanan. Pada pemanasa ini tekanan gas selalu tetap (sama

dengan tekanan udara luar), tetapi volumenya berubah.

Koefisien Muai Gas

Koefisien Muai Gas adalah bilangan yang

menunjukkan pertambahan volume gas untuk setiap

satuan volume bila suhunya bertambah 10C pada

tekanan tetap. Misalkan muai gas kita sebut γ . Volume gas akhir adalah:

Dengan V0 = volume gas mula-mula dan ∆t = suhu gas

Gay-Lussac mendapatkan bahwa semua gas mempunyai koefisien muai yang sama, yaitu

273

1. Oleh karena itu , rumus pemuaian gas dapat ditulis sebagai

Dengan V = Volume gas akhir, V0 = Volume gas mula-mula, dan t = suhu

b) Volume tetap

Pemanasan gas pada volume tetap dilakukan dengann cara berikut. Di dalam

silinder terdapat gas yang ditutup oleh pengisap yang dapat bergerak bebas.

Ketika dipanasi, gas akan mengembang dan mendorong pengisap.

Agar tidak berpindah tempat, pengisap harus ditahan dengan suatu tekanan.

Akibatnya, gas untuk bias memuai sementara tekanannya bertambah besar. Jadi, selama

pemanasan ini volume gas selalu tetap, sedangkan tekanannya berubah.

Koefisien tekanan gas

Koefisien tekanan gas ialah bilangan yang menunjukkan pertambahan tekanan gas untuk

setiap satuan tekanan bila suhunya bertambah 10C pada volume tetap. Misalkan koefisien

tekanan gas kita sebut v. Tekanan gas akhir adalah

Dengan P0 = tekanan gas mula-mula ∆t = selisih suhu gas

V = V0 (1 + γ ∆t)

Vt = V0 [1 + 182/273]

Gay-Lussac menemukan bahwa semua gas mempunyai koefisien tekanan yang sama, yaitu

273

1. Oleh karena itu , rumus pemuaian gas dapat ditulis sebagai

Dengan t = suhu gas

c) Tekanan dan volume berubah

Sebuah bola kaca yang berisi udara dihubungkan dengan

moneter terbuka. Kemudian, bola kaca dipanasi sedikit. Permukaan

zat cair dalam kaki manometer A akan turun, sebaliknya permukaan

zat cair dalam kaki B akan naik. Dalam pemanasan ini, volume

maupun tekanan gas berubah.

Koefisien muai volume

Koefisien muai volume (ruang) ialah bilangan yang menyatakan perubahan volume zat

untuk setiap satuan volume bila suhunya bertambah 10C. Koefisien muai ruang (γ) dirumuskan

sebagai berikut:

Satuan Vt - V0 merupakan suatu volume, sedangkan satuan V0∆t merupakan satuan volume ×

satuan suhu. Jadi satuan koefisien muai ruang ialah

seperti pada pemuaian panjang, persamaan untuk pemuaian ruang dapat dinyatakan sebagai

Dengan V = Volume air (cm3)

V0 = Volume awal (cm3)

γ = Koefisien muai volume (/0C)

∆t = Selisih suhu (0C)

Persamaan di atas dapat digunakan untuk menyatakan pemuaian volume benda padat dan benda

cair.

P = P0 [1 + 182/273]

Satuan Volume 1

Satuan Volume X satuan suhu satuan suhu =

atau /0C

V = V0 (1 + Δt), dimana = 3

}t(tV

VV

ΔtV

ΔVy

00

0

0

Contoh Soal:

1. Berapakah volume minyak tanah pada suhu 600C bila volumenya pada suhu 30

0C ialah 100

Liter? Koefisien muai ruang minyak tanah 0,0009/0C.

Penyelesaian:

V = V0 (1 + γ∆t)

= 100 (1 + 0,0009 × 30)

= 100 × 1,027 = 102,7 liter

2. Berapakah volume kubus tembaga pada suhu 1000C bila volumenya tetap 0

0C I dm

3 koefisien

muai panjang tembaga 0,000017/0 C.

Penyelesaian:

V = V0 (1 + γ∆t)

= V0 (1 + 3 x (100-20))

= 1[1 + 3 × 0,000017 × 80] = 1,00408 dm3

3. Sebanyak 20 Liter yang tekanannya 3 atm dan suhunya 00C. Berapakah tekanan akhirnya?

Penyelesaian:

P = P0 1 + 273

t = P0 1 +

273

182

= 3 atm X 3

21 = 5 atm

Pemuaian Benda Kosong

Benda kosong memuai seolah-olah rongganya berisi

zat yang sejenis dengan benda itu. Dengan demikian,

benda itu seakan-akan pejal. Hal ini dapat dinyatakan

dengan percobaan ‘s Gravesande. Gelang A dan bola B

terbuat dari tembaga. Ketika suhunya sama, bola B masuk

dengan tepat kedalam gelang A.

Akan tetapi, jika bola B saja yang dipanasi

sedangkan gelangnya tidak, maka bola B tidak bisa masuk

ke dalam gelang A. sebab yang memuai hanya bola,

sedangkan gelangnya tidak memuai. Setelah beberapa lama berada di atas gelang, bola akan masuk

lagi ke dalam gelang karena gelang ikut memuai. Jadi, memuainya rongga gelang sama dengan

memuainya bola.

Contoh Soal:

Sebuah tangki besi dapat memuat 200 liter minyak pada suhu 200C. berapa liter minyak keluar

apabila seluruhnya dipanasi sampai suhu 500C? Koefisien muai ruang minyak 0,0012/

0C dan

koefisien muai panjang besi 0,000012/C.

Penyelesaian:

Volume minyak:

V = V0 ( 1 + t )

= 200 ( 1 + 0,0012 X 30 ) = 207,2 liter

Volume tangki besi:

V = V0 ( 1 + 3 T )

= 200( 1 + 3 x 0,000012 x 30 ) = 200,216 liter

Volume minyak yang keluar:

V = 2007,2 liter – 200,216 liter = 6,984 liter

Anomali Air

Air mempunyai sifat yang aneh, yaitu menyusut bila

dipanaskan dari suhu 00C sampai 4

0C. Volume air pada suhu 4

0C

merupakan yang terkecil sehingga massa jenisnya terbesar. Sifat

air yang menyimpang dari sifat umum ini disebut anomali air.

Percobaan Hope dapat menunjukkan bahwa massa jenis air

yang terbesar terjadi pada suhu 40C. sebuah bejana mula-mula

diisi sebagian dari air yang suhunya 180C. Kemudian, diatas air

diapungkan butir-butir es. Oleh karena itu, suhu air di bawah es turun, volumenya berkurang, dan

massa jenisnya bertambah sehingga air yang telah didinginkan akan turun ke dasar bejana. Ketika

tercapai keseimbangan, thermometer B di dasar bejana menunjukkan suhu 4 0C dan thermometer A

di permukaan air menunjukkan suhu 00C.

Hukum Gay-Lussac

Perhatikan kembali rumus Gay-Lussac

Persamaan ini dapat diuraikan sehingga menjadi

273

T

273

t273

V

V

273

TxV

273

t273xVV 00

273

V

T

V 0

Oleh karena V0 dan 273 konstan, berarti

konstantaT

V

Perbandingan volume dengan suhu gas dapat juga ditulis

2

2

1

1

T

V

T

V

Dengan T = (273 + T)K. Besaran V1 dan T1 menyatakan volume dan suhu mula-mula, sedangkan

V2 dan T2 menyatakan volume dan suhu akhir.

Dengan cara yang sama dapat juga diperoleh

konstantaT

P

Atau

27310

tVV

2

2

1

1

T

P

T

P

P1 dan T1 menyatakan tekanan dan suhu mula-mula, sedangkan P2 dan T2 menyatakan tekanan dan

suhu akhir.

Penggunaan Pemuaian

Keping Bimetal

Keping Bimetal ialah dua keping logam berbeda yang

dikelilingi menjadi satu. Jika keeping bimetal dipanaskan, keeping

tersebut akan membengkok ke arah logam yang koefisien muainya

kecil. Sebaliknya, bila keping bimetal didinginkan, keeping tersebut

akan membengkok ke arah logam yang koefisien muainya besar.

Keping bimetal bisa terbuat dari batang besi dan tembaga. Sebelum dipanasi, bimetal dalam

keadaan lurus. Setelah dipanasi, bimetal akan melengkung ke arah batang besi, sebab koefisien

muai akan menjadi lurus lagi. Kalau terus didinginkan akan melengkung ke arah batang tembaga

Termometer Bimetal

Termometer bimetal terbuat dari bimetal yang berbentuk

lingkaran. Ujung A diikat pada kaki bimetal, sedangkan ujung B diikat

pada sebuah jarum yang dapat berputar pada proses C

Koefisien muai logam sebelah luar lebih besar dari pada koefisien

muai logam sebelah dalam. Jika suhunya naik, bimetal akan

melengkung sehingga ujung B mendekati ujung A dan jarum akan

berputar ke kanan. Sebaliknya, jika suhunya turun, bimetal akan sedikit

lurus sehingga menggerakkan jarum ke kiri.

Termostat

Termostat digunakan untuk mempertahankan suhu ruangan supaya tetap.

Termostat terdiri dari sebuah batang bimetal berbentuk lingkaran, seperti halnya

pada thermometer bimental. Salah satu ujung bimetal dijepit, sedangkan ujung

yang lain bebas. Ujung yang bebas diletakkan pada jarum yang dapat bergerak

maju mundur antara kontak listrik A dan B

Bila suhu ruangan naik, bimetal bertambah melengkung dan jarum

menyentuh kontak. Hal ini menyebabkan aliran listrik terputus sehingga

panasnya berkurang. Bila suhunya turun bimetal akan lebih lurus dan jarum

bergerak ke kanan sampai menyentuh kontak B. akibatnya aliran listrik terbuka lagi sehingga suhu

ruangan naik, dan seterusnya. Dengan cara demikian suhu ruangan dapat dipertahankan

Sakelar otomatis

Bimetal dengan cara kerja seperti thermostat juga banyak dipakai sebagai sakelar otomatis.

Sakelar otomatis berfungsi untuk menghubungkan, dan memutuskan aliran listrik secara otomatis

bila telah mencapai suhu tertentu. Misalnya, pada alarm kebakaran. Ketika terjadi kebakaran

1. Ambillah sepotong bimetal dan panaskan di atas nyala api lilin. Apa yang terjadi?

2. Dinginkan bimetal dengan air!

3. Kemudian, letakkan bimetal selama 10 menit di bawah balok es!

4. Apakah kesimpulanmu?

PERCOBAAN

bimetal naik sehingga melengkung dan menghubungkan arus listrik. Arus listrik ini akan

menghidupkan alarm sehingga berbunyi.

Penggunaan konsep pemuaian yang lain misalnya pada thermometer raksa, paku keeling

pemasangan ban dan besi roda pedati, pemasangan kaca jendela, dan rel kereta api. Pada

pemasangan benda-benda tersebut harus ada celah yang cukup agar memuai ketika hari panas.

Gelas yang koefisien muainya besar akan pecah kalau diberi air panas

A. Jawab pertanyaan di bawah ini!

1. Mengapa rel kereta api dibuat renggang?

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

2. Berdasarkan peristiwa anomali air, jelaskan mengapa es terapung di atas permukaan air?

(jika massa dalam keadaan mencair/membeku tidak berubah)

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

3. Sebutkan contoh dalam kehidupan sehari-hari alat yang menggunakan prinsip pemuaian?

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

4. Apakah yang kamu ketahui tentang:

a. Bimetal

b. Dilatometer

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

5. Dalam kehidupan sehari-hari zat padat jika dipanaskan panjangnya akan bertambah,

sebutkan faktor yang menyebabkan pertambahan panjang tersebut?

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

6. Panjang sebatang aluminium pada suhu 200C adalah 1 meter. Berapa panjangnya pada suhu

1200C? Koefisien muai panjang aluminium 0,000024/

0C.

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

7. Sebatang rel kereta api yang terbuat dari baja panjangnya 25 meter pada suhu 200C. Berapa

milimeter pertambahan panjang rel bila suhunya naik menjadi 300C? Koefisien muai

panjang baja 0,000012/0C.

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

8. Volume sebuah panci aluminium pada suhu 270C adalah 1 liter. Berapakah volume panci

tersebut pada suhu 1000C? Koefisien muai panjang aluminium 0,000024/

0C.

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

LATIHAN 7

....................................................................................................................................................

9. Bagaimanakah hubungan koefisien muai ruang zat padat dengan koefisien muai

panjangnya?

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

10. Pada jembatan besar, salah satu ujungnya menyatu dengan pangkal jembatan, sedangkan

pada ujung yang lain dipasang bantalan roda. Mengapa?

Jawab: .......................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................

B. Pilihlah jawaban yang benar!

1. Suhu menyatakan ……

a. aliran panas dalam suatu benda c. banyaknya molekul dalam benda

b. energi yang dikandung suatu benda d. derajat panas suatu benda

2. Pernyataan berikut yang benar mengenai kelebihan raksa disbanding alkohol adalah….

a. peka terhadap perubahan suhu c. titik beku lebih rendah

b. titik didih lebih tinggi d. tidak membasahi dinding kaca

3. Titik tetap bawah yang digunakan dalam penentuan angka termometer adalah…….

a. suhu es yang sedang mencair c. suhu air yang sedang menguap

b. suhu air yang paling rendah d. suhu air yang sedang mendidih

4. Jika suhu zat dinaikan, maka pada umumnya zat akan ……

a. memuai c. memuai dan menyusut

b. menyusut d. bergetar

5. Koefisien muai panjang suhu zat bergantung pada …….

a. panjang batang semula c. jenis zat

b. kenaikan suhu d. volume zat

6. Sebatang besi panjangnya 20 cm pada suhu 150C. Bila koefisien muai panjang besi

0,000012/0C, maka panjangnya pada suhu 80

0C adalah ……..

a. 20,0192 cm c. 20,0036 cm

b. 20,0156 cm d. 20,0012 cm

7. Zat cair mengalami pemuaian ……..

a. tinggi c. luas

b. panjang d. volume

8. Pernyataan berikut berkaitan dengan pemuaian gas, kecuali……

a. gas mengalami pemuaian volume

b. pemuaian gas dapat terjadi pada tekanan tetap

c. pemuaian menyebabkan volume gas mudah berubah

d. pemuaian gas lebih besar dari pada pemuaian zat padat

9. Air menyusut bila dipanaskan dari suhu 00C sampai 4

0C. Sifat air ini disebut ……

a. kondensasi c. volume paling besar

b. penyusutan air d. massa paling kecil

10. Pada suhu 40C air memiliki …….

a. massa jenis paling besar c. volume paling besar

b. massa jenis paling kecil d. massa paling besar

11. Bila sekiping bimetal dipanaskan, maka……..

a. tidak terjadi apa-apa dengan bimetal

b. bimetal memuai dan tetap lurus

c. melengkung kearah logam yang memiliki koefisien muai besar

d. melengkung kearah logam yang memiliki koefisien muai kecil

12. Bila dilatometer berisi air dipanaskan, maka…….

a. permukaan air turun sedikit, kemudian naik

b. permukaan air langsung naik

c. permukaan air tetap

d. permukaan air langsung turun

13. Sebuah mur sulit dilepaskan dari bautnya karena telah berkarat. Cara yang paling baik utuk

melepaskannya adalah…….

a. mur dan baut didinginkan c. baut dipanaskan

b. mur dipanaskan d. mur didinginkan

14. Dua keeping logam yang koefisien muainya berbeda dikeling menjadi satu disebut……….

a. Relai c. Bemetal

b. Thermostat d. Dilatometer

15. Alat untuk memutuskan dan menghubungkan aliran listrik secara otomatis disebut…….

a. Bimetal c. Saklar otomatis

b. Thermostat d. Relai