Pemuaian Zat Padat - Muai Panjang, Muai Luas, Muai Ruang

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian dapat terjadi pada 3 jenis zat yaitu pemuaian pada zat padat, pada zat cair, dan pada zat gas.

Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang (untuk satu demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk tiga dimensi).

A. Muai Panjang / Muai Linear Zat Padat

Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan alat Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat Musschenbroek dipanaskan maka batang logam akan bertambah panjang. Namun, pertambahan panjang batang logam yang satu dengan yang lain berbeda. Artinya, tingkat pemuaian logam-logam tersebut juga berbeda.

Logam yang paling besar pemuaiannya akan mendorong jarum penunjuk hingga berputar paling jauh, sedangkan logam yang pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk berputar paling dekat. Jika digunakan batang logam aluminium, baja, dan besi, maka logam aluminium memuai paling besar, sedangkan besi adalah logam yang memuai paling kecil.

Alat Musschenbroek dapat menunjukkan bahwa:

1. Pemuaian dan pertambahan panjang zat padat jika dipanaskan
2. Pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu
3. Pemuaian zat padat sebanding dengan kenaikan suhunya
4. Pemuaian panjang zat padat ditentukan oleh koefisien muai panjang zat padat itu

Alat Musschenbroek

Pertambahan panjang 1m benda tiap kenaikan suhu 1°C ini disebut koefisien muai panjang (∝). Jadi, koefisien muai panjang suatu benda adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang suatu benda tiap satuan panjang jika suhu benda tersebut naik 1°C. Dengan demikian, jika dinyatakan bahwa koefisien muai panjang tembaga adalah 0,000017/°C maka berarti setiap 1 meter tembaga yang suhunya dinaikkan 1°C akan bertambah panjang 0,000017 meter. Jika ditulis dalam persamaan maka:

Atau dapat juga ditulis dalam bentuk:

l_t = l₀ {1+∝.ΔT}

Sebatang tongkat logam pada suhu T₁ panjangnya l₁ dan pada suhu T₂ panjangnya l₂. Dengan proses matematika dapat diperoleh persamaan sebagai berikut:

l₂ = l₁ {1 + ∝ (T₂-T₁)}

l₂ = l₁ {1+∝.ΔT}

Satuan koefisien muai panjang ini adalah .../°C atau .../°K.

Jenis Logam	Koefisien Muai Panjang (.../°C)
Aluminium	0.000025
Tembaga	0.0000167
Besi	0.000012
Baja	0.000011
Platina	0.0000089
Kaca	0.000009
Kaca Pyrex	0.000003
Kuningan	0.000019
Seng	0.000026

B. Muai Luas Zat Padat

Pemuaian dalam zat padat sebenamya terjadi ke semua arah, yaitu memanjang, melebar, dan menebal. Namun, pengukuran pemuaian panjang pada benda padat sudah dianggap cukup memadai untuk mewakili pemuaian luas. Misalnya, menghitung pemuaian luas sebuah benda yang berupa lembaran tipis berbentuk persegi panjang dengan menghitung terlebih dahulu muai panjang dan muai lebamya dengan persamaan yang berlaku pada pemuaian panjang.

Jika pada suhu T₁ luas benda adaiah A₁ dan pada suhu T₂ luasnya A₂ maka berlaku persamaan muai luas dengan pendekatan sebagai berikut:

A₂ = A₁ {1 + 2∝ (T₂-T₁)} atau

A₂ = A₁ {1 + β (T₂-T₁)}

A₂ = A₁ {1 + β . ∆T}

β = 2∝

β = koefisien muai luas

Dengan:

A₂ = Luas benda setelah dipanaskan (m²)

A₁ = Luas benda mula-mula (m²)

β = Koefisien muai luas (°C^-1 atau K^-1)

T₂ = Suhu benda setelah dipanaskan (°C atau K)

T₁ = Suhu benda mula-mula (°C atau K)

Persamaan di atas cukup memadai untuk menghitung persoalan sederhana sehubungan dengan pemuaian luas benda padat (terutama untuk benda-benda padat dengan koefisien muai panjang yang kecil).

Koefisien muai luas zat padat adaiah bilangan yang menunjukkan pertambahan luas suatu benda tiap satuan luas jika suhunya naik 1°C.

C. Muai Ruang / Muai Volume Zat Padat

Muai apa yang terjadi pada benda yang berbentuk pipa dan berbentuk keping? Bagaimana pada benda yang berbentuk bola? Untuk membuktikan adanya muai ruang pada benda yang berbentuk bola dapat menggunakan alat yang diciptakan Willem 's Gravesande.

Jika bola dipanaskan, bola memuai, volumenya bertambah besar sehingga tidak dapat masuk ke dalam gelang. Setelah beberapa saat, gelang ikut panas dan bola dapat masuk kembali ke dalam gelang. Itu berarti, panas pindah dari bola ke gelang dan diameter gelang membesar.

Dengan gelang Willem 's Gravesande dapat dibuktikan bahwa:

1. Zat padat jika dipanaskan akan memuai dan volumenya bertambah besar
2. Pemuaian benda berongga akan memperbesar rongganya (arah pemuaiannya keluar rongga)
3. Panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya.

Gelang Gravesande

Pemuaian volume zat tergantung jenis zat padatnya. Sebuah benda padat pada suhu °C volumenya V₁, pada suhu T°C, volumenya V₂.

Pertambahan volume tiap satuan suhu benda padat adalah:

Bilangan yang menunjukkan pertambahan volume suatu benda tiap satuan volume jika suhunya naik 1°C disebut koefisien muai ruang (γ).

Persamaan di atas dapat diubah menjadi persamaan berikut ini:

V₂ = V₁ (1 + γΔT)

Jika volume zat padat pada T₂ adalah V₁dan volume pada T₂ adalah V₂ maka berlaku:

Untuk zat padat yang angka muainya sangat kecil, berlaku persamaan:

V₂ = V₁ {1 + γ (T₂-T₁)}

V₂ = V₁ {1 + γ . ∆T}

Dengan:

V₂ = Volume benda setelah dipanaskan (m³)

V₁ = Volume benda mula-mula (m³)

γ = 3∝ = Koefisien muai luas (°C^-1 atau K^-1)

T₂ = Suhu benda setelah dipanaskan (°C atau K)

T₁ = Suhu benda mula-mula (°C atau K)

Hubungan antara koefisien muai ruang (γ) dengan koefisien muai panjang (∝) dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:

γ = 3∝

Pada konstruksi jembatan, pada setiap sambungan diberikan ruang kosong (spasi) yang berfungsi untuk menghindari tekanan antara bagian jembatan dengan jalan akibat terjadinya pemuaian zat padat.