Materi Pemuaian Lengkap

Pemuaian

Definisi Pemuaian

Pemuaian adalah peristiwa bertambahnya panjang/luas/ruang suatu benda akibat suhu yang meningkat. Nah, kalo suhunya menurun namanya penyusutan. Memang seperti itulah keadaan di alam ini, secara umum, jika benda diberikan panas (dipanasi) maka suhunya akan meningkat dan akan mengalami perubahan panjang/luas/volum. Benda yang mengalami perubahan volum maka tentunya benda tersebut mengalami muai luas juga. Benda yang mengalami muai luas tentunya mengalami muai panjang juga. Ibarat balok rumusan untuk volumnya adalah panjang x lebar x tinggi, ada panjangnya di dalam rumusannya. Sedangkan untuk rumusan luas dari balok adalah panjang x lebar ada nilai panjangnya juga di dalam rumusan tersebut. Nah, kalo rumusannya lebar x tinggi, kan tidak ada panjangnya? Yang dimaksud dengan muai panjang sebenarnya adalah muai dalam satu dimensi, sedangkan luas adalah 2 dimensi dan volum adalah pemuaian dalam 3 dimensi. Bagaimana? Sudah menjawab pertanyaan teman-teman belum?

Pemuaian Panjang

Pada konsep pemuaian panjang, benda dianggap memiliki bentuk seperti sepenggal garis lurus saja, seperti kawat atau benang. Benda dianggap hanya memiliki satu dimensi saja, seperti panjang saja (sumbu x) , lebar saja (sumbu y) atau tinggi saja (sumbu z). Oleh karenanya, benda tersebut hanya memuai pada satu dimensi saja yaitu dimensi panjang. Pertambahan panjang benda dirumuskan menjadi:

∆L = Lo x α x ∆T

dengan 

∆L adalah perubahan panjang benda dalam satuan meter (m)

Lo adalah panjang benda mula-mula dalam satuan meter (m) juga,

α adalah koefisien muai panjang dalam satuan per derajat celcius (/C) dan

∆T adalah perubahan (suhu akhir dikurangi suhu awal) suhu dalam satuan derajat celcius (C)

Catatan:

1.             Jika ∆T bernilai positif maka dapat dikatakan suhu meningkat, sebaliknya jika ∆T bernilai negatif maka dapat dikatakan suhu menurun.

2.             Koefisien muai panjang adalah pertambahan panjang suatu benda tiap kenaikan suhu 1 derajat celcius dan yang unik adalah tiap jenis benda memiliki karakteristik yang unik dalam koefisien muai panjang sehingga dapat berbeda antara benda yang satu dengan yang lain.

Berikut ini adalah tabel koefisien muai benda, untuk muai luasnya dihitung sendiri ya.

Kemudian untuk menentukan panjang akhir benda berdimensi satu adalah:

Lt = Lo + ∆L

dengan 

Lt adalah panjang akhir dari benda satu dimensi dalam satuan meter (m)

Jika disatukan dengan cara mensubstitusikan nilai ∆L pada ke rumus kedua maka rumusnya akan menjadi:

Lt = Lo + ∆L
Lt = Lo + Lo α ∆T
Lt = Lo ( 1 + α ∆T)

Pemuaian Luas

Pada benda yang memiliki 2 dimensi, jika dipanasi maka benda tersebut akan meluas (bertambah luas). Untuk benda seperti balok, Dua dimensi yang dimaksud bisa kombinasi antara dimensi panjang dan lebar, panjang dan tinggi, lebar dan tinggi, serta seterusnya. Benda yang mengalami pemuaian luas, benda dianggap memiliki bentuk seperti lempengan dengan tinggi yang diabaikan atau 1 dimensi diabaikan karena nilainya yang kecil. Jika pada pemuaian panjang menggunakan koefisien muai panjang maka pada pemuaian luas, perhitungannya menggunakan koefisien muai luas. Koefisien muai luas adalah karakteristik yang dimiliki oleh suatu benda dalam pertambahan luasnya tiap derajat celcius. Koefisien muai luas benda bernilai dua kalinya koefisien muai panjang benda (2α). Untuk menghitung nilai perubahan luas benda rumus yang digunakan adalah:

∆A = Ao x β x ∆T

dengan 

∆A adalah perubahan luas benda dalam satuan meter persegi (m^2)

Ao adalah luas benda mula-mula dalam satuan meter persegi (m^2) juga,

β adalah koefisien muai luas dalam satuan per derajat celcius (/C) dan

Selanjutnya untuk menentukan luas akhir dari benda 2 dimensi adalah:

At = Ao + ∆A

dengan 

At adalah luas akhir dari benda satu dimensi dalam satuan meter persegi (m^2)

Jika disatukan dengan cara mensubstitusikan nilai ∆A pada ke rumus kedua maka rumusnya akan menjadi:

At = Ao + ∆A
At = Ao + Ao β ∆T
At = Ao ( 1 + β ∆T)

Pemuaian Volum

Benda dengan dimensi 3 jika dipanasi akan mengalami pertambahan volum. Secara umum, pemuaian panjang dan pemuaian luas adalah untuk benda padat, sedangkan untuk pemuaian volum, jenis benda dapat berupa padat, cair ataupun gas. Perhitungan pemuaian volum menggunakan koefisien muai volum. Pada benda padat, koefisien muai volum bernilai 3 kali lipatnya koefisien muai panjang (3α) ataupun 2/3 nya koefisien mual luas (2β/3). Nilai koefisien muai volum untuk benda cair dapat dilihat pada tabel, kalaupun dalam tabel belum ada, maka dapat dicari di literatur yang lain. Rumusan berikut digunakan untuk menentukan nilai dari perubahan volume untuk benda padat dan cair, untuk benda berjenis gas memiliki karakteristik khusus sehingga perhitungannya tidak bisa disamakan. Oleh karenanya, pembahasan untuk benda gas akan dibahas pada artikel yang selanjutnya.

∆V = Vo x γ x ∆T

dengan 

∆V adalah perubahan volume benda dalam satuan meter kubik (m^3)

Vo adalah volume benda mula-mula dalam satuan meter kubik (m^3)

γ adalah koefisien muai volum dalam satuan per derajat celcius (/C) dan

Kemudian untuk menentukan volume akhir benda yang memiliki 3 dimensi adalah:

Vt = Vo + ∆V

dengan 

Vt adalah volume akhir dari benda berdimensi 3 dalam satuan meter kubik (m^3)

Rumusan untuk menentukan volume akhir benda padat dan cair dapat disingkat menjadi satu rumus saja. Penyatuannya dilakukan dengan cara mensubstitusikan nilai ∆V pada ke rumus yang kedua maka rumusnya akan menjadi:

Vt = Vo + ∆V
Vt = Vo + Vo γ ∆T
Vt = Vo ( 1 + γ ∆T)

Penerapan

Beberapa konsep pemuaian digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Penggunaan yang dimaksud adalah saat pemasangan kabel listrik, penggunaan bimetal (dua logam yang disatukan sehingga dapat digunakan sebagai saklar), pemasangan kaca, pemasangan rel kereta, dan seterusnya. Penggunaan konsep pemuaian ini akan sejalan dengan perkembangan iptek yang berkembang di lingkungan teman-teman. Bisa jadi yang disebutkan di atas kurang sesuai karena teknologi yang digunakan juga berbeda. Intinya, selama ada panas yang mengenai benda maka konsep pemuaian akan berlaku, terutama untuk benda benda padat dan cair. Untuk benda gas ada beberapa kondisi yang berbeda dengan benda cair dan gas.

Hukum Boyle (suhu konstan)

Hukum Boyle dirumuskan oleh Robert Boyle (1627 - 1691). Pada proses thermodinamika proses seperti ini dinamakan proses isotermik. Pada hukum boyle, terdapat beberapa asumsi/anggapan. Anggapan yang pertama (1) adalah ada dua keadaan gas, (2) kedua keadaan gas tersebut adalah gas yang sama, (3) gas berada dalam ruangan tertutup dan yang tidak kalah penting adalah suhu dijaga agar tetap konstan. Dalam kondisi seperti tersebut, ada hubungan yang menarik antara tekanan gas dan volume dari gas tersebut. Hubungannya adalah perkalian antara tekanan gas dengan volume gas selalu konstan pada tiap keadaan. Secara matematis rumusan tersebut dapat dituliskan dalam persamaan berikut:

P x V = konstan
P1 x V1 = P2 x V2 = P3 x V3 = Pn x Vn, 

Keterangan:

P adalah tekanan gas dengan satuan pascal (Pa)

V adalah volume gas dengan satuan meter kubik (m^3)

N adalah bilangan asli yaitu 1, 2, 3 dan seterusnya.

Berdasarkan hukum Boyle maka dapat ditarik suatu kesimpulan adanya hubungan yang terbali antara volume dengan tekanan, jika keadaan awal volume gas bernilai 4 meter kubik dan tekanannya adalah 2 pascal maka pada keadaan kedua jika volumenya diubah menjadi 2 meter kubik maka nilai tekanannya akan bernilai 4 pascal. Nilai volume dan tekanan saling bertukar anatara dua keadaan. Hal seperti ini dinamakan dengan hubungan yang berbanding terbalik, jika nilai besaran yang satu dinaikkan maka nilai dari besaran yang lain akan turun.

Hukum Charles (tekanan konstan)

Hampir satu abad setelah rumusan Boyle pada suhu tetap, baru ada rumusan yang dapat menunjukkan hubungan keadaan gas dengan tekanan konstan. Rumusan dengan tekanan konstan dikemukakan oleh ilmuwan Perancis, Jacques Charles (1746 - 1823). Proses seperti ini juga dinamakan dengan proses isobarik. Namun, ada beberapa asumsi tambahan yakni hanya pada tekanan rendah saja (tidak terlalu tinggi, mengenai nilainya tidak disebutkan secara jelas). Pada hukum Charles, perlu digaris bawahi bahwa hanya berlaku untuk gas dengan suhu di atas -273 derajat celcius. Hal ini dikarenakan semua gas dengan suhu tersebut atau di bawahnya akan memiliki nilai 0. Perlu kita ketahui bahwa nilai -273 derajat celcius merupakan nilai 0 dalam skala Kelvin. Oleh karenanya nilai tersebut dapat kita sebut suhu 0 mutlak. Secara umum berlaku seperti itu, karena perlu diingat bahwa pada suhu rendah tertentu gas akan mencair seperti oksigen yang mencair pada suhu -183 derajat celcius. 

Charles merumuskan bahwa pada tekanan rendah dan dibuat konstan perbandingan antara volume dengan suhu gas aka selalu konstan. Secara matematis, rumusan tersebut dapat dirumuskan menjadi:

V / T = konstan
V1 / T1 = V2 / T2 = V3 / T3 = Vn / Tn 

Dengan keterangan sebagai berikut:

V adalah volume gas dalam satuan meter kubik (m^3)

T adalah suhu gas dalam satuan suhu mutlak yaitu Kelvin (K)

n adalah bilangan asli untuk menyatakan keadaan gas 1, 2, 3, dan seterusnya

Berdasarkan hukum Charles, kita dapat membuat suatu kesimpulan bahwa hubungan antara Volume gas dan suhu gas selalu berbanding lurus. Jika nilai volumenya mengalami penurunan maka nilai temperaturnya juga akan menurun. Namun, volumenya akan berhenti pada suhu 0 kelvin seperti yang telah dijelaskan di atas. Sebagai contoh jika volumenya adalah 4 meter kubik dan suhunya ada pada skala 300 K maka jika volumenya dinaikkan menjadi 8 meter kubik, suhunya akan menjadi 600 K.

Hukum Gay Lussac (volume konstan)

Hukum ini dirumuskan oleh Joseph Gay Lussac yang juga berasal dari perancis (1778 - 1850). Berbeda dengan dua hukum sebelumnya, Gay Lussac melakukan eksperimen dengan membuat kondisi gas pada volume yang konstan. Eksperimen tersebut mengahasilkan rumusan yaitu perbandingan antara tekanan dan suhu selalu konstan. Secara matematis hukum Gay Lussac dapat dirumuskan menjadi:

P / T = konstan
P1 / T1 = P2 / T2 = P3 / T3 = Pn / Tn 

Dengan keterangan sebagai berikut:

P adalah tekanan gas dalam satuan pascal (Pa)

T adalah suhu dari gas dalam satuan suhu mutlak yaitu Kelvin (K)

n merupakan bilangan asli untuk menyatakan keadaan gas 1, 2, 3, dan seterusnya

Dari hukum GayLussac ini dapat runut kesimpulan bahwa hubungan antara tekanan dan suhu dari gas yang berada pada ruangan tertutup merupakan hubungan yang sebanding. Jika tekanan dari gas kita naikkan nilainya maka suhu dari gas juga akan mengalami kenaikan pula. Kita misalkan dalam angka yang sederhana, jika tekanan gas bernilai 3 Pa dan suhu pada tekanan tersebut adalah 200 kelvin maka pada keadaan kedua dimana tekanannya adalah 9 Pa, suhunya dapat dipastikan akan bernilai 600 K. Ketiga hukum tersebut berlaku pada kasus-kasus yang khusus. Seperti ketika kita memompa ban dengan menggunakan pompa biasa, akan mirip dengan proses isokhorik, karena tabung pompa akan memiliki volume yang sama. Ketika kita sentuh badan pompa maka akan terasa lebih panas dari sebelum memompa. Hal ini berarti suhunya mengalami kenaikan. Untuk tekanannya jelas mengalami kenaikan karena udaranya mengalir menuju ban (fluida bergerak dari tekanan tinggi menuju tekanan rendah).

Persamaan Gas Ideal

Persamaan gas ideal merupakan gabungan dari beberapa hukum yang telah dijelaskan di atas. Rumusan ini diperoleh dari eksperimen yang lebih teliti dan menghasilkan rumusan kesebandingan antara perkalian tekanan dan volume dengan perkalian massa dengan suhu dari gas pada ruang tertutup. Secara matematis dirumuskan menjadi:

P x V = m x T

kemudian diketahui lebih lanjut bahwa nilai dari massa adalah perkalian antara jumlah mol zat dengan konstanta pembanding untuk gas secara universal yaitu 8, 315 J / (mol x Kelvin). Oleh karena itu, secara matematis dapat dirumuskan menjadi 

P x V = n x R x T

Keterangan dari rumusan di atas adalah:

P adalah tekanan gas dalam ruang tertutup dengan satuan pascal (Pa)

V adalah volume dari gas tersebut dengan satuan dalam meter kubik (m^3)

m adalah massa dari gas dengan satuan dalam kilogram (kg)

n adalah jumlah mol dari gas dalam satuan (mol)

R seperti yang dijelaskan di atas adalah konstanta pembanding gas universal yaitu 8, 315 J / (mol x Kelvin)

T adalah suhu dalam satuan Kelvin (K).

Dengan menggunakan rumusan tersebut kita dapat menghitung besaran-besaran dari gas dalam ruang tertutup dalam dengan besaran-besaran yang telah diketahui.

Penutup

Pembahasan di atas merupakan hal dasar yang perlu diketahui oleh teman-teman sebagai dasar untuk pelajaran yang lebih lanjut. Terutama bagi teman-teman yang nantinya akan berkutat dengan thermodinamika. Sampai jumpa dalam artikel berikutnya, jangan lupa di like ya…