Hampir semua zat (padat, cair, dan gas) memuai pada pemanasan dan menyusut pada pendinginan. Pemuaian suatu zat pada pemanasan disebut pemuaian termal zat tersebut. Ada tiga jenis pemuaian: pemuaian linier (penambahan panjang), superfisial (penambahan luas), dan pemuaian kubus (penambahan volume). Padatan memiliki bentuk yang tetap, sehingga ketika dipanaskan, zat padat akan mengembang ke segala arah, yaitu panjang, luas, dan volume, semuanya bertambah jika dipanaskan. Cairan dan gas hanya menunjukkan ekspansi kubik. Pada pemanasan, cairan memuai lebih banyak dari padatan dan gas memuai lebih banyak dari cairan. Dalam pelajaran ini, Anda akan belajar:
Saat memanaskan zat padat, energi kinetik rata-rata molekul zat padat meningkat. Mereka mulai bergetar tentang posisi rata-rata mereka dengan amplitudo yang besar. Hasilnya adalah posisi rata-rata mereka berubah sedemikian rupa sehingga pemisahan antar molekul antara molekul meningkat, sehingga padatan mengembang ke segala arah.
Eksperimen: Ambil bola logam dan cincin.
i) Susun bola logam dan cincin seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini (gambar a). Bola logam harus lolos begitu saja melalui cincin saat keduanya berada pada suhu kamar.
ii) Sekarang panaskan bola logam di atas kompor (gambar b)
iii) Tempatkan ring lagi dan coba mengoper bola melewati ring. Anda akan melihat bahwa bola macet.
Alasan: Saat dipanaskan, bola mengembang dan diameternya menjadi lebih besar.
Sekarang biarkan bola mendingin dan sekali lagi coba mengoper bola melalui ring, Anda akan melihat bahwa bola sekarang melewati ring. Ini karena pada pendinginan, bola berkontraksi.
Ekspansi Linier
Setiap kali terjadi pertambahan panjang benda akibat pemanasan maka pemuaian itu disebut pemuaian linier. Mari kita perhatikan pemuaian linier pada batang logam. Pertambahan panjang batang logam pada pemanasan tergantung pada tiga faktor berikut:
Catatan: Pertambahan panjang batang pada pemanasan tidak bergantung pada apakah batang itu berongga atau padat
Pemuaian permukaan padatan
Ketika pelat logam dipanaskan, panjang dan lebarnya keduanya bertambah. Ini meningkatkan luas pelat. Pertambahan luas pelat tergantung pada:
Ekspansi kubik padatan
Ketika zat padat dipanaskan, panjang, lebar, dan tebalnya semuanya bertambah, sehingga volumenya bertambah. Secara eksperimental diamati bahwa peningkatan volume suatu padatan tergantung pada:
| Jika L 0 adalah panjang batang pada 0 o C dan panjangnya pada t o C adalah L t , maka pertambahan panjangnya dinyatakan sebagai L t - L 0 = L 0 α t α adalah koefisien muai panjang yang bergantung pada bahan batang. Satuannya adalah per o C |
| Jika A 0 adalah luas pelat pada 0 o C dan luasnya pada t o C adalah A t , maka pertambahan luasnya dinyatakan sebagai A t - A 0 = A 0 β t β adalah koefisien muai permukaan yang berbeda untuk padatan yang berbeda. |
| Jika V 0 adalah volume benda padat pada 0 o C dan luasnya di t o C adalah V t , maka pertambahan volumenya dinyatakan sebagai V t - V 0 = V 0 γ t γ adalah koefisien muai kubik yang berbeda untuk bahan yang berbeda. |
Hubungan antara α, β dan γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Koefisien muai panjang beberapa padatan
| Zat | Koefisien muai panjang ( x 10 -6 per o C) |
| Aluminium | 24 |
| Kuningan | 19 |
| Tembaga | 17 |
| Besi | 12 |
| Invar | 0,9 |
Ekspansi Termal padatan dalam kehidupan sehari-hari
1. Rel kereta api: Rel rel kereta api terbuat dari baja. Saat meletakkan rel kereta api di atas tanaman kayu atau beton, celah kecil tersisa di antara panjang rel yang berurutan seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Pasalnya, di musim panas karena kenaikan suhu atmosfer, setiap rel cenderung bertambah panjangnya, sehingga tersisa celah di antara kedua rel, jika tidak, rel akan membengkok ke samping.
2. Kabel listrik dan kabel telepon: Kabel listrik pada saluran transmisi listrik dan kabel telepon antara dua kutub dapat putus di musim dingin karena kontraksi dan dapat melorot di musim panas karena pemuaian. Oleh karena itu, saat memasang kabel di antara dua kutub, berhati-hatilah agar di musim panas kabel tersebut dibuat agak longgar agar tidak putus di musim dingin karena kontraksi. Dan saat meletakkannya di musim dingin, mereka tetap ketat agar tidak terlalu melorot di musim panas karena ekspansi.
3. Gelas yang digunakan di Dapur Gelas yang digunakan di dapur umumnya terbuat dari kaca pyrex. Alasannya adalah kaca pyrex memiliki koefisien muai kubus yang sangat rendah, sehingga barang pecah belah yang dipanaskan tidak mengembang dan retak.
Seperti padatan, cairan juga biasanya mengembang saat dipanaskan. Cairan mengembang lebih banyak daripada padatan saat dipanaskan. Karena zat cair tidak memiliki bentuk yang pasti tetapi memiliki volume yang pasti, maka zat cair hanya mengalami pemuaian kubik.
Pengecualian: Air berkontraksi pada pemanasan dari 0 o C sampai 4 o C dan kemudian di atas 4 o C pada pemanasan lebih lanjut ia memuai. Ini disebut perilaku anomali air.
Eksperimen: Ambil toples, isi sepertiga bagiannya dengan air, dan tutup toplesnya. Simpan di atas api. Anda akan melihat bahwa saat air semakin panas, ketinggian air di dalam toples akan naik.
Catatan: Saat cairan yang terkandung di dalam toples dipanaskan, pertama-tama toples akan memanas sehingga akan mengembang sehingga tingkat cairannya turun. Setelah itu ketika kalor mencapai zat cair maka akan memuai, sehingga kadar zat cair akan naik. Dengan demikian, pemuaian zat cair yang sebenarnya lebih besar daripada pemuaian yang teramati.
Faktor-faktor yang mempengaruhi pemuaian kubik cairan
Ekspansi kubik cairan tergantung pada tiga faktor berikut:
Jika V 0 adalah volume zat cair pada 0 o C dan V t volume zat cair pada t o C, maka kenaikan volume zat cair diberikan sebagai
V t - V o = V 0 γ t
dimana γ adalah koefisien muai kubik zat cair .
Koefisien muai kubik beberapa zat cair
| Cairan | Koefisien muai kubik γ ( x 10 -4 per o C) |
| Air raksa | 1.8 |
| Air (di atas 15 OC ) | 3.7 |
| Minyak parafin | 9.0 |
| Alkohol | 11.0 |
Penerapan ekspansi termal cairan dalam kehidupan sehari-hari
Ekspansi termal cairan digunakan dalam kerja termometer air raksa. Termometer raksa terdiri dari tabung kapiler dengan satu ujung tertutup dan bola silinder di ujung lainnya. Bohlam diisi dengan merkuri. Merkuri adalah cairan yang mengkilat, sehingga kadarnya dapat dilihat dengan mudah di dalam tabung kapiler. Saat bohlam termometer tetap bersentuhan dengan benda panas, merkuri mengembang. Tingkat merkuri naik dalam tabung kapiler. Tabung lulus untuk membaca suhu. Untuk setiap kenaikan suhu derajat Celcius, merkuri mengembang dengan volume yang sama, sehingga kalibrasi termometer menjadi lebih mudah.
Gas juga mengembang saat dipanaskan. Gas mengembang lebih dari cairan dan padatan. Seperti cairan, gas tidak memiliki bentuk yang pasti, sehingga hanya memiliki pemuaian kubik. Namun, gas yang terkandung dalam volume tetap tidak dapat mengembang - sehingga peningkatan suhu mengakibatkan peningkatan tekanan.
Eksperimen: Ambil botol kosong. Pasang balon karet ke lehernya. Awalnya, balon dikempiskan. Tempatkan botol di bak air yang berisi air mendidih. Setelah beberapa waktu Anda akan melihat bahwa balon mengembang seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Hal ini menunjukkan bahwa pada pemanasan, udara di dalam botol mengembang dan mengisi balon sehingga balon mengembang.
Penerapan ekspansi termal gas dalam kehidupan sehari-hari
Balon udara panas: Balon udara panas bekerja berdasarkan prinsip perbedaan pemuaian termal antara gas dan padatan. Karena udara panas di dalam kantong balon membesar lebih cepat daripada wadahnya, hal itu akan meregangkan kantong sehingga mengembang dan menggantikan udara yang lebih dingin (lebih berat) di luar kantong. Perbedaan massa jenis udara di dalam dan di luar kantong menyebabkan balon mengembang. Mendinginkan udara di dalam kantong menyebabkan balon turun.
Ketika suatu zat dipanaskan, volumenya bertambah sedangkan massanya tetap sama, oleh karena itu, kerapatan zat (menjadi rasio massa terhadap volumenya), berkurang dengan kenaikan suhu. Dalam kasus zat padat, penurunan densitas tidak terlihat tetapi dalam kasus cairan dan gas, karena suhu meningkat, volume meningkat dengan jumlah yang cukup besar, dan karenanya penurunan densitas cukup terlihat.
