Pemuaian

        Pernahkah kamu memerhatikan bingkai jendela kaca di rumahmu? Bingkai jendela kaca harus diberi celah agar saat kaca memuai di siang hari yang panas, kaca tersebut tidak pecah. Bagaimana proses pemuaian dapat terjadi dan apakah manfaat atau kerugian dari pemuaian ini dalam kehidupan sehari-hari. Marilah kita pelajari lebih lanjut.


1. Pemuaian pada Zat Padat, Cair, dan Gas

      Tahukah kamu mengapa benda-benda jika dipanaskan akan memuai? Setiap benda tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil. Jika partikel-partikel tersebut dipanaskan, partikel-partikel tersebut akan bergetar. Getaran yang dialami partikel ini bergantung pada besar kecilnya suhu benda tersebut. Semakin besar suhunya, getaran partikel semakin besar. Sebaliknya, semakin kecil suhunya getaran partikel semakin lemah. Akibat getaran partikel-partikel inilah suatu benda jika dipanaskan akan mengalami pemuaian.
Pemuaian dapat terjadi pada ketiga wujud zat, yaitu zat padat, zat cair, dan zat gas.

Celah diantara dua lintasan jalan
beton.

a. Pemuaian Zat Padat

       Pernahkah kamu memerhatikan celah sambungan yang terdapat pada jembatan atau di antara dua lintasan jalan beton? Perhatikan Gambar. Menurutmu, mengapa harus dibuat celah di antara dua lintasan jalan beton tersebut?
       Celah di antara dua lintasan jalan beton dibuat agar jalan tidak retak saat jalan mengalami pemuaian di siang hari yang panas.
       Dari contoh tersebut, umumnya zat padat akan memuai jika dipanaskan. Besarnya pemuaian untuk setiap zat tidak sama, hal ini bergantung pada jenis zatnya. Dalam bab ini, kamu akan mempelajari pemuaian panjang (pemuaian satu dimensi), pemuaian luas (pemuaian dua dimensi), dan pemuaian volume (pemuaian tiga dimensi).

1) Muai Panjang
     
       Muai panjang dapat kamu amati pada benda padat yang berbentuk batang. Nah, agar kamu lebih memahami muai panjang pada batang, lakukanlah Kegiatan berikut.

Pemuaian pada Zat Padat

Tujuan: Menyelidiki pemuaian pada zat padat.

Alat dan bahan:

1. Alat Musschenbroek        4. Sebatang aluminium

2. Pembakar bunsen             5. Tembaga

3. Stopwatch                        6. Besi yang panjangnya sama.

Prosedur kerja:

1. Pasanglah ketiga jenis batang pada alat Musschenbroek.

2. Putarlah sekrup pengatur agar kedudukan ketiga jarum penunjuk sama tinggi.

3. Nyalakan pembakar bunsen, kemudian panaskan ketiga logam tersebut selama 10 menit atau sampai batang logam panas.

4. Amati apa yang terjadi pada jarum penunjuk. 

Diskusikanlah pertanyaan berikut untuk mendapatkan kesimpulan!

1. Apa yang terjadi pada jarum penunjuk alat Musschenbroek ketika ketiga logam dipanaskan?

2. Logam manakah yang memuai paling besar dan paling kecil?

Skema pertambahan panjang

       Dari kegiatan di atas, kamu dapat mengamati ujung batang yang bebas akan menekan pengungkit jarum penunjuk sehingga jarum tersebut berputar. Jika suhu semakin tinggi, pertambahan panjang akan semakin besar. Selain itu, muai panjang bergantung pada jenis zat. Hal tersebut dapat dilihat dari pertambahan panjang aluminium yang lebih besar daripada besi dan tembaga. Pertambahan panjang suatu benda ketika dipanaskan dapat ditentukan dengan persamaan berikut.

Koefisien Muai Panjang
beberapa zat.
Sumber : Physics For You

Tahukah kamu apa koefisien muai panjang itu? Koefisien muai panjang (α) suatu zat adalah besarnya pertambahan panjang setiap satuan panjang zat jika suhunya dinaikkan sebesar 1 °C. Koefisien panjang beberapa zat padat dapat kamu amati pada Tabel.


Contoh

Seorang tukang kayu akan memasang kaca pada kerangka kayu. Ukuran kaca 50 cm × 90 cm. Koefisien muai kayu diabaikan. Pemasangan kaca itu pada suhu udara 25 °C dan suhu tertinggi di tempat itu 40 °C. Berapakah ukuran rangka kayu agar kaca tidak pecah karena panas? (αkaca= 8 × 10-6 °C-1)

Jawab:

Ukuran kaca 50 cm × 90 cm

Jadi ukuran rangka kaca agar kaca tidak pecah saat panas adalah 50,006 cm × 90,0108 cm.


2) Muai Luas

Skema pertambahan luas.

      Pemuaian luas terjadi jika benda padat yang memuai berbentuk kepingan persegi (plat). Berbeda dengan pemuaian panjang yang hanya memperhitungkan muai panjang, pada pemuaian luas muai lebar juga ikut diperhitungkan. Perhatikan Gambar. Koefisien muai luas adalah dua kali koefisien muai panjang. Secara matematis koefisien muai luas dituliskan sebagai berikut.




Pertambahan luas pada muai luas memenuhi persamaan sebagai berikut.

Contoh

      Sebuah plat aluminium yang berbentuk persegi mempunyai sisi 10 cm dan suhu 30 °C. Kemudian, plat
tersebut dipanaskan hingga mencapai suhu 80 °C. Jika, koefisien muai panjang aluminium 0,0000255 °C-1,
tentukanlah pertambahan luasnya!

Jawab:

Jadi, pertambahan luas aluminium tersebut adalah 0,255 cm2.

Skema pertambahan volume.

3) Muai Volume

     Jika zat padat yang dipanaskan berbentuk bangun ruang, seperti bola, kubus, atau balok, maka bangun ruang tersebut mengalami pemuaian yang disebut muai volume. Pada muai volume, pemuaiannya dianggap ke semua arah. Perhatikan Gambar. Untuk menentukan pemuaian volume zat padat, koefisien muainya adalah tiga kali koefisien muai panjang, atau secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Untuk mengetahui pertambahan volume suatu zat dapat digunakan persamaan berikut.

Contoh

Sebuah aluminium berbentuk kubus dengan rusuk 3 cm dipanaskan dari 20 °C sampai 80 °C. Jika koefisien muai aluminium 0,0000255°C-1, tentukanlah pertambahan volumenya!

Jawab:

Jadi, pertambahan volume aluminium itu adalah 0,12393 cm3.


b. Pemuaian Zat Cair

Prinsip pemuaian zat cair
dimanfaatkan dalam
termometer untuk
mengukur suhu.

      Pernahkah kamu mengamati kenaikan permukaan raksa dalam termometer ketika mengukur suhu air yang dipanaskan? Jika zat cair, seperti raksa dipanaskan, akan terjadi pertambahan volume pada zat cair tersebut. Prinsip ini digunakan dalam termometer untuk mengukur suhu suatu benda atau ruang. Pertambahan volume pada zat cair yang dipanaskan ini dinamakan muai ruang atau muai volume. Jadi pada zat cair hanya berlaku pemuaian zat cair. Jika 2 buah tabung reaksi yang masing-masing diisikan air dan alkohol direbus diatas sebuah bejana, kamu dapat mengamati bahwa ketika dipanaskan, bejana (zat padat) dan zat cair dalam bejana (air dan alkohol) memuai. Tetapi, muai volume zat cair lebih besar daripada muai volume zat padat. Hal ini tampak dari permukaan air dan alkohol dalam bejana naik. Juga dapat diamati bahwa besarnya pemuaian suatu zat cair berbeda-beda. Hal ini ditunjukkan dengan lebih tingginya permukaan alkohol daripada permukaan air.

c. Pemuaian Zat Gas

Balon udara menggunakan prinsip
pemuaian gas sehingga bisa terbang.

       Balon udara dapat terbang menggunakan prinsip pemuaian pada zat gas. Pada saat udara dipanaskan, udara di dalam balon memuai. Hal ini menyebabkan massa jenis udara yang berada di dalam balon berkurang sehingga menjadi lebih ringan daripada udara di sekitarnya. Kondisi ini mengakibatkan balon dapat mengudara dan mengangkat beban yang dibawanya.
       Pemuaian yang terjadi pada zat gas sama halnya dengan pemuaian yang terjadi pada zat cair, yaitu hanya mengalami muai ruang saja. Pemuaian zat gas ini lebih besar daripada zat cair. Untuk menghitung besarnya pemuaian volume gas dapat menggunakan persamaan berikut.

Contoh


Suatu ruangan berisi 50 m3 udara pada suhu 25 °C. Berapakah volume udara dalam ruangan tersebut jika suhunya naik menjadi 40 °C (koefisien muai volume udara adalah 0,00367 °C-1)?

Jawab:

Jadi, volume udara setelah pemuaian adalah 52,7525 m3.


2. Pemuaian Zat dalam Kehidupan Sehari-hari

Pemuaian pada zat padat, cair, dan gas dapat kita temukan dalam kehidupan sehari-hari. Pengetahuan pemuaian ini dapat dimanfaatkan untuk mempermudah kepentingan kita. selain itu kita juga dapat mencegah hal-hal yang merugikan akibat sifat zat yang memuai ini.

a. Pemanfaatan Bimetal

      Apakah bimetal itu? Bimetal adalah gabungan dua jenis keping logam yang memiliki koefisien muai panjang yang berbeda dan digabungkan dengan cara pengelasan atau pengelingan. Logam yang memiliki koefisien muai lebih besar akan lebih cepat memuai dibandingkan dengan logam yang koefisien muainya lebih kecil. Perhatikan Gambar dibawah.

(a) keping bimetal pada suhu kamar (b) keping bimetal jika dipanaskan (c) keping bimetal jika didinginkan.

Perbedaan pemuaian inilah yang dimanfaatkan dalam termostat. Termostat adalah alat pengatur suhu dengan

bimetal sebagai komponen utamanya yang berfungsi sebagai saklar otomatis. Termostat banyak digunakan dalam alat-alat rumah tangga yang menggunakan listrik, misalnya setrika otomatis dan oven.

b. Pengelingan

     Tahukah kamu apakah pengelingan itu? Pernahkah kamu mengamati sambungan kerangka kendaraan atau pintu gerbang besi? Proses penyambungan dua batang besi dengan menggunakan paku keling dinamakan pengelingan.

Proses pengelingan untuk
menyambung kedua batang besi.

     Sebelum dikeling, dua buah lubang batang besi yang akan disambungkan dipanaskan terlebih dahulu sehingga lubangnya menjadi lebih besar dan paku keling dapat masuk ke dalam lubang tersebut. Setelah itu, pemanasan dihentikan, kemudian paku keling ditempa dengan menggunakan palu khusus sampai kedua lembaran batang besi yang disambungkan merapat. Setelah suhu batang berkurang, paku keling akan menyusut sehingga menjepit kedua batang besi dan menempel dengan kuat. Agar kamu lebih memahami proses pengelingan perhatikan Gambar disamping.

c. Pemasangan Bingkai Besi pada Roda

As dan Bingkal roda kereta api
dipanaskan sebelum dipasangkan
rodanya.

       Pernahkah kamu memerhatikan bingkai roda pedati atau roda kereta api? Bingkai roda pedati dan roda kereta api terbuat dari besi. Tahukah kamu bagaimana cara memasangkan bingkai besi tersebut pada roda pedati dan roda kereta api?

      Roda pedati dan roda kereta api terdiri atas dua bagian, yaitu bingkai besi dan rodanya. Biasanya bingkai besi dibuat lebih kecil daripada rodanya. Nah, agar roda dapat masuk ke dalam bingkai besi, bingkai besi terlebih dahulu dipanaskan sehingga ukurannya membesar karena proses pemuaian.

      Setelah bingkai besi memuai, roda dapat dengan mudah masuk ke dalam bingkai besi tersebut. Setelah bingkai besi menjadi dingin, bingkai besi tersebut menyusut dan terpasang kuat pada rodanya.

d. Pemasangan Kaca Jendela

      Perhatikan pemasangan kaca pada jendela rumahmu. Tahukah kamu mengapa pemasangan kaca dibuat agak longgar? Atau cobalah kamu perhatikan pemasangan kaca pada jendela mobil. Mengapa pemasangan kaca pada jendela mobil dilengkapi dengan karet? Karena pada saat dingin, kaca akan memuai, sehingga kalau jendela dipasang pas, akan pecah.