Suhu dan Pemuaian

Halo teman teman! Kalian pasti sudah sering mendengar kata suhu dan pemuaian, bukan? Suhu dan pemuaian merupakan dua materi yang saling berkaitan. Hubungan tersebut ditunjukkan pada pemuaian yang disebabkan adanya kenaikan suhu. Pemuaian dapat diartikan sebagai perubahan suatu benda. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat atau cair. Pemuaian yang terjadi dapat berupa muai panjang, luas, dan volume.

Benda yang mengalami kenaikan suhu akan memuai, sehingga benda tersebut mengalami pemuaian. Sehingga, pembahasan mengenai suhu dan pemuaian dapat dijadikan menjadi satu pembahasan.

Pengertian Suhu

Suhu adalah besaran yang menyatakan derajat panas atau dingin. Suhu digunakan untuk menyatakan tingkat panas/dingin badan, cuaca, air,dan lain sebagainya. Suhu suatu benda dapat dikatakan bersuhu tinggi jika benda itu panas, memiliki energi kinetik molekul rata-rata yang tinggi, dan gerakan molekul yang cepat, dan suhu suatu benda dapat dikatakan bersuhu rendah jika benda itu dingin, dan memiliki energi kinetik molekul rata - rata yang rendah, dan gerakan molekul yang cepat.

Satuan suhu dapat dinyatakan dalam derajat pada skala termometer. Skala termometer yang sering digunakan adalah Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin. Skala termometer yang sering digunakan di Indonesia adalah Celcius. Sedangkan skala internasional termometer yang sering digunakan adalah Fahrenheit dan Kelvin.

Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu. Termometer dibuat berdasarkan sifat termometrik. Sifat termometrik adalah sifat benda yang dapat berubah akibat perubahan suhu.

Sifat termometrik antara lain :

1. Perubahan wujud

2. Perubahan tekanan

3. Perubahan ukuran

4. Perubahan warna(peristiwa radiasi)

5. Perubahan daya hantar listrik

Macam - Macam Skala Termometer

1. Skala Celcius

Skala Celcius didasarkan pada titik beku 0°C dan titik didih 100°C. Satu derajat Celcius menunjukkan 1/100 kali perubahan suhu antara titik beku dan titik didih.

2. Skala Kelvin

Titik tetap bawah termometer skala Kelvin adalah 273K. Sedang titik tetap atasnya yaitu 373K. Biasanya skala Kelvin disebut skala mutlak (absolut) atau skala termodinamik. Satuan ini digunakan sebagai satuan SI.

3. Skala Fahrenheit

Skala Fahrenheit didasarkan pada titik beku 32°F dan titik didih 212°F. Satu derajat Fahrenheit menunjukkan 1/180 kali perubahan suhu antara titik beku dan titik didih.

4. Skala Reamur

Titik lebur es skala reamur diberi angka 0 sebagai titik tetap bawah. Sedangkan titik didih air diberi angka 80 sebagai titik tetap atas.

Konversi perbandingan skala dapat dirumuskan sebagai berikut :

Sehingga didapat persamaan berikut :

Zat Pengisi Termometer

Termometer yang mudah ditemui adalah adalah termometer yang berisi alkohol dan termometer yang berisi raksa.

• Raksa

Kelebihan :

1. Dapat dengan cepat mengambil kalor benda

2. Jangkauan pengukuran besar yaitu -39 s/d 357°C

3. Tidak membasahi dinding tabung

4. Pemuaian teratur terhadap kenaikan suhu

5. Raksa mengkilap sehingga mudah dilihat

Kekurangan :

1. Harga mahal

2. Raksa termasuk zat beracun sehingga berbahaya apabila tabung pecah

3. Tidak dapat mengukur suhu rendah dibawah -39°C

• Alkohol

Kelebihan :

1. Cepat mengambil kalor walaupun tidak secepat raksa

2. Jangkauan ukur besar dan memiliki titik beku -144°C

3. Pemuaian bersifat teratur

4. Harga lebih murah

Kekurangan :

1. Titik didihnya rendah yaitu 78°C

2. Membasahi dinding tabung

3. Tidak berwarna sehingga harus diberi warna agar bisa dibaca

Perbandingan Skala Pada Termometer untuk 4 Satuan Suhu

Setelah kita mempelajari materi suhu tadi. Kenapa tidak kita mempelajari materi pemuaian? Kedua materi ini merupakan materi yang saling berkaitan. Hubungan tersebut ditunjukkan pada pemuaian yang disebabkan adanya kenaikan suhu.

Simak materi dibawah ini dengan seksama agar tidak salah pengertian.

Pengertian Pemuaian

Pemuaian adalah perisitwa bertambahnya ukuran suatu materi dari keadaan mula-mula akibat peningkatan suhu atau penyerapan kalor. Pemuaian terjadi pada benda jika benda diberikan panas. Tetapi efek dari pemberian panas ke benda akan berbeda - beda tergantung dengan materialnya. Pemuaian setiap zat juga akan berbeda, tergantung pada suhu lingkungan dan koefisien muai atau daya muai dari zat tersebut.

Jenis - Jenis Pemuaian :

Pemuaian zat terdiri dari pemuaian zat padat, zat cair dan gas. Pemuaian zat padat yang dapat terjadi adalah pemuaian panjang, luas dan volume.

Pemuaian zat dapat dibagi menjadi 3, antara lain :

• Pemuaian zat padat

• Pemuaian zat cair

• Pemuaian zat gas

Namun, pada pemuaian zat padat dapat terbagi lagi menjadi 3, yaitu pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.

• Pemuaian zat padat

Pemuaian zat padat adalah jenis pemuaian yang terjadi pada suatu benda,contohnnya seperti bingkai jendela, rel kereta api, dan kabel listrik. Bingkai jendela pada siang hari tampak melengkung, hal ini terjadi karena benda tersebut mengalami pemuaian. Pemuaian pada suatu benda terjadi pada seluruh bagian benda tersebut. Pemuaian pada suatu zat padat dibedakan menjadi tiga yaitu pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume.

• Pemuaian 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. 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. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang adalah musschenbroek.

Pemuaian panjang dapat dirumuskan sebagai berikut.

• Pemuaian 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. 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.

Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah jendela kaca rumah. Pada saat udara dingin kaca menyusut karena koefisien muai kaca lebih besar dari pada koefisien muai kayu. Jika suhu meningkat maka kaca akan memuai lebih besar daripada kayu kusen sehingga kaca akan terlihat terpasang dengan rapat pada kusen kayu tersebut.

Pemuaian luas dapat dirumuskan sebagai berikut.

• Pemuaian volume adalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang.

Contoh dari pemuaian volume adalah kaleng minuman. Minuman yang diisikan ke dalam kaleng tidak terisi penuh agar kaleng bisa memuai dan menyusut.

Pemuaian volume dapat dirumuskan sebagai berikut.

Pemuaian zat cair

Pemuaian zat cair tidak melibatkan muai panjang maupun muai luas, namun hanya muai ruang atau volume saja. Semakin tinggi suhu pada zat cair maka semakin besar pula muai volumenya. Pemuaian volume pada zat cair berkaitan dengan peningkatan suhu.

Tahukah kalian air memiliki sifat anomali, dimana sifat ini merupakan peristiwa yang bertentangan dengan peristiwa pada umumnya. Anomali yang terjadi pada air bisa terjadi hanya pada saat suhu 0°C hingga 4°C.

Grafik zat anomali dapat dilihat seperti berikut.

Sifat anomali zat air dapat terjadi karena molekul H2O dalam bentuk padat (es) penuh dengan rongga, sedangkan dalam bentuk cair (air) lebih rapat. Dengan demikian, pada saat dipanaskan molekul H2O akan merapat lebih dahulu, akibatnya volumenya menjadi menyusut dan massa jenisnya meningkat.

Rumus pemuaian zat cair :

Pemuaian zat gas

Sama seperti zat cair, zat gas hanya mengalami pemuaian volume saja. Volume gas akan meningkat jika diberikan suhu yang tinggi. Contoh dari pemuaian zat gas adalah pengisian angin pada ban kendaraan. Saat kita akan mengisi angin ban sepeda motor atau mobil tidak boleh terlalu penuh. Hal ini dilakukan agar saat kita berkendara di siang hari, ban sepeda motor tidak meletus. Suhu yang panas di siang hari membuat gas di dalam ban memuai dan menyebabkan ban meletus.

Pemuaian gas dijelaskan oleh hukum Boyle, hukum Gay-Lussac, hukum Charles, dan persamaan gas ideal.

• Hukum Boyle :

Hukum Boyle menghubungkan volume dengan tekanan gas. Bunyi dari hukum Boyle : Tekanan gas pada suhu konstan berbanding terbalik dengan volume gas, atau hasil kali antara tekanan dan volume gas pada suhu konstan adalah konstan.

Rumus hukum ini dapat didefinisikan sebagai berikut.

• Hukum Gay-Lussac

Hukum Gay-Lussac menghubungkan tekanan dengan suhu gas. Bunyi dari hukum ini : Tekanan mutlak gas pada volume konstan berbanding lurus dengan suhu mutlak gas tersebut.

Rumus hukum ini dapat didefinisikan sebagai berikut.

• Hukum Charles

Hukum Charles menghubungkan volume dengan suhu gas. Bunyi dari hukum ini : Volume gas pada tekanan konstan berbanding lurus dengan suhu mutlak gas tersebut.

Rumus hukum ini dapat didefinisikan sebagai berikut.

• Persamaan Gas Ideal

Persamaan gas ideal adalah gabungan dari ketiga hukum diatas, dimana tidak ada variable yang dijaga konstan.

Rumus persamaan gas ideal sebagai berikut.

Penerapan Prinsip Pemuaian Pada Kehidupan Sehari - Hari

Prinsip pemuaian zat banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini adalah beberapa contoh penerapannya:

1. Pemasangan Kaca Jendela
   Pemasangan kaca jendela memperhatikan juga ruang muai bagi kaca sebab koefisien muai kaca lebih besar daripada koefisien muai kayu tempat kaca tersebut dipasang. Hal ini penting sekali untuk menghindari terjadinya pembengkokan pada bingkai.

2. Pemasangan Sambungan Rel Kereta Api
   Penyambungan rel kereta api harus menyediakan celah antara satu batang rel dengan batang rel lain. Jika suhu meningkat, maka batang rel akan memuai hingga akan bertambah panjang. Dengan diberikannya ruang muai antar rel maka tidak akan terjadi desakan antar rel yang akan mengakibatkan rel menjadi bengkok.

3. Pemasangan Bingkai Besi pada Roda Pedati
   Bingkai roda pedati pada keadaan normal dibuat sedikit lebih kecil daripada tempatnya sehingga tidak dimungkinkan untuk dipasang secara langsung pada tempatnya. Untuk memasang bingkai tersebut, terlebih dahulu besi harus dipanaskan hingga memuai dan ukurannya pun akan menjadi lebih besar daripada tempatnya sehingga memudahkan untuk dilakukan pemasangan bingkai tersebut. Ketika suhu mendingin, ukuran bingkai kembali mengecil dan terpasang kuat pada tempatnya.

4. Pemasangan Jaringan Listrik dan Telepon
   Kabel jaringan listrik atau telepon dipasang kendur dari tiang satu ke tiang lainnya sehingga saat udara dingin panjang kabel akan sedikit berkurang dan mengencang. Jika kabel tidak dipasang kendur, maka saat terjadi penyusutan kabel akan terputus.

5. Keping Bimetal
   Keping bimetal adalah dua buah keping logam yang memiliki koefisien muai panjang berbeda yang dikeling menjadi satu. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Pada suhu normal panjang keping bimetal akan sama dan kedua keping pada posisi lurus. Jika suhu naik kedua keping akan mengalami pemuaian dengan pertambahan panjang yang berbeda. Akibatnya keping bimetal akan membengkok ke arah logam yang mempunyai koefisien muai panjang yang kecil.

Kerugian Akibat Pemuaian Dan Cara Mengatasinya

Contoh kerugian yang ditimbulkan akibat pemuaian dan cara mengatasinya adalah sebagai berikut :

1. Gelas atau mangkok dari kaca retak atau pecah ketika diisi dengan air panas secara tiba-tiba. Hal ini terjadi karena gelas tidak mudah menghantarkan panas sehingga ketika diisi air panas, kalor tidak cepat menyebar. Akibatnya, bagian dalam gelas memuai lebih cepat dibanding bagian luarnya.

2. Rel kereta api melengkung pada siang hari karena rel mengalami pemuaian sedangkan rel terikat oleh baut-baut pengikat hal ini bertujuan untuk mengatasi melengkungnya rel.

3. Kaca pada jendela atau kaca pada pintu, retak atau pecah pada siang hari yang panas. Hal ini karena pemuaian kaca lebih besar dibanding pemuaian kayu. Untuk mencegah agar kaca tidak pecah, maka bingkai kaca dibuat luas (longgar) dibanding kacanya.

4. Bagian mesin mobil atau motor memuai ketika mesin sedang berjalan. Akibatnya, suara mesin menjadi kasar dan bagian yang berputar menjadi mogok berputar. Hal ini dapat diatasi dengan cara mendinginkan mesin dengan cara memasukkan cairan pendingin.

5. Jembatan dapat melengkung atau patah ketika suhu udara naik. Hal ini dapat diatasi dengan cara membuat celah (rongga) pada tiang penyangga jembatan atau membuat celah pada tiap sambungan balok jembatan.