PEMUAIAN

Perhatikanlan tayangan video berikut!

 video 1

video 2

Dari video 1 menunjukkan bahwa kabel listrik pada musim dingin dan musim panas. Pada musim dingin kabel terlihat kencang dan pada musim panas kabel terlihat kendor. Perhatikan pula tayangan video 2, menunjukkan bahwa celah sambungan dua rel kereta api.

Bentuklah kelompok dengan teman sekelas Anda. Satu kelompok terdiri dari 5-6 siswa. Kemudian lakukanlah kegiatan berikut:

1.          Rumuskanlah masalah yang terdapat dalam kedua video tersebut.

2.        Amatilah mengenai permasalahan yang ada di video tersebut.

3.      Lakukan studi literature atau observasi terkait dengan video tersebut (studi literature dan observasi bisa  dilakukan dilokasi dimana permasalahan ada atau di perpustakaan)

4.        Diskusikannlah:

       a.      Mengapa kabel listrik terlihat kendor di siang hari dan terlihat kencang pada malam hari?

      b.      Mengapa pada pemasangan rel kereta api diberi rongga pada sambungannya?

5.        Analisislah dan sajikan hasil tulisan kelompok Anda.

6.        Komunikasikanlah hasil diskusi kelompok Anda didepan kelas secara bergantian.

Perhatikan animasi berikut!

1.    Pemuaian Panjang

Pernahkah Anda mengamati kabel jaringan listrik pada pagi hari dan pada siang hari kabel jaringan akan tampak kencang pada pagi hari dan tampak kendor pada siang hari. Kabel tampak kendor karena panjang logam penyusun kabel bertambah panjang akibat terkena panas sinar matahari. Dengan demikian  dapat dikatakan bahwa  kabel mengalami pemuaiankarena terkena panas sinar matahari. Pemuaian panjang tiap zat padat berbeda-beda tergantung pada sifat termal zat padat tersebut. untuk   menyelidiki muai panjang suatu zat padat lakukanlah percobaan berikut ini!

Tujuan : Menyelidiki muai panjang zat padat menggunakan Muschenbroek

a.        Sediakan Muschenbroek lengkap dengan pembakar bunsennya.

b.        Catatlah jenis logam yang akan diamati.

c.         Nyalakan pembakar Bunsen dan aturlah supaya semua batang logam mendapat  panas yang merata.

d.        Setelah  satu menit,  amatilah jarum penenjuk  yang  didorong  oleh  setiap jenis   logam.

e.         Samakah panjang pemuaian setiap logam ? 

f.          Tulislah   hasil   pengamatan anda,   logam   manakah  yang   menunjukkan   pemuaian  paling besar ?

Pada kegiatan 2.1 dapat kita amati bahwa panjang logam akan bertambah panjang setelah logam dipanaskan. Suatu batang panjang mula-mula l_o dipanaskan hingga bertambah panjang Δl, bila perubahan suhunya Δt maka, 

Dengan,

L   = Panjang akhir (m)

Lo = Panjang mula-mula (m)

α = koefisien muai panjang suatu zat ( per °C )

∆T = kenaikan suhu

Tabel Beberapa koefisien Muai Panjang Benda

Dampak dari pemuaian panjang Dampak dari pemuaian panjang ada yang bermanfaat, tetapi ada pula yang menimbulkan permasalahan. Dampak yang bermanfaat, antara lain: untuk mengelingkan pelat logam, untuk Bimetal (pada alat pemberitahu ada kebakaran, termostad), untuk lampu arah kendaraan bermotor. Adapun dampak pemuaian panjang yang menimbulkan permasalahan antara lain: kaca jendela pecah di musim panas, kerusakan pada jembatan, pemasangan rel kereta api, dll.

1.      Sebatang baja dengan panjang 2 m dipanasi dari 290 K sampai 540 K. Hitung panjang baja pada suhu 540 K. ( koefisien muai panjang baja = 1,2 x 10^-5 /K)

Jawab:

Diketahui:

2.      Jika besi sepanjang 20 m dengan koefisien muai panjang 1,2. 10^-5 /K dipanaskan  dari suhu 0⁰C hingga 100⁰C, maka tentukan pertambahan panjangnya !

Jawab :

 

1.        Jembatan baja pada suhu 28^oC panjangnya 100 m. berapa panjang jembatan itu jika suhu udara naik sampai 38^oC? (koefisien muai panjang baja = 12 x 10^-6/^oC)

 

2.        Panjang sebatang platina pada 0^oC = 1 m. Panjang platina tersebut pada 80oC = 100,072 cm. hitunglah koefisien muai panjang platina. 

  

2.    Pemuaian Luas

Jika yang dipanaskanadalah suatu lempeng  atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang  dan lebarnya. Dengan demikian  lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang. Pemuaian luas dapat kita amati pada jendela kaca rumah.

    Pertambahan luas zat padat untuk setiap kenaikan 1^oC pada zat seluas 1m² disebut koefisien  muai luas (B).

 

sehingga,

Dengan,

A   = Luas akhir (m²)

Ao = Luas mula-mula (m²)

B= koefisien muai luas suatu zat (°C/m )

∆T = kenaikan suhu (°C )

3.      Pemuaian Volume

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P_o , lebar L_o , dan tinggi h_o  dipanaskan hingga suhunya bertambah ΔT, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar:

Dengan,

A   = Luas akhir (m²)

Ao = Luas mula-mula (m²)

j= koefisien muai volume suatu zat (°C/m )

∆T = kenaikan suhu (°C )

Pada  zat  cair kita tidak mengenal muai panjang  ataupun muai  luas, tetapi hanya  dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing- masing jenis  zat cair berbeda-bedaakibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu. Titik pertemuan antara wujud cair, padat dan gas disebut titik tripel.

Gambar 2.1 grafik P-t air

Khusus untuk air pada kenaikan suhu 0^oC sampai 4^oC volume tidak bertambah akan tetapi justru menyusut, pengecualian ini disebut dengan anomaly air sehingga pada suhu 4^oC air mempunyai volume terendah. Pada 0  °C terjadi loncatan volume dari air 0  °C sampai es 0  °C, dimana pada suhu 0  °C volume es > volume air.

Gambar 2.2 Anomali air

Tujuan : Menyelidiki pemuaian berbagai macam zat cair

1.     Siapkan empat buah labu erlen mayer berpipa kecil. Isikan masing-masing labu dengan air, eter, bensin, dan alcohol dengan volume yang sama.

2.    Siapkan wadah yang agak besar dan isilah dengan air.

3.    Masukkan labu tersebut pada wadah berisi air kemudian panaskan wadah tersebut.

4.    Setelah beberapa saat amatilah tinggi permukaan zat cair pada labu.

5.    Apakah yang kalian amati? Semakin tinggi masing-masing zat cair tersebut?

 

Khusus untuk gas, pemuaian volume dapat menggunakan persamaan seperti pemuaian zat cair,  

1.          Sebuah balok kuningan mempunyai panjang 5 m, tinggi 2 m, dan lebar 1 m pada suhu 20 °C. Jika kalor jenis kuningan 1,8 . 10^-5 /K, tentukan volume kuningan pada suhu 120 °C !

Jawab :

V_t =V_o (1+ g.∆t)

V_t =(5 x 2 x 1) (1+3.x1,8.10^-5.(120 – 20 )

V_t =10,054 m³

2.          Suatu gas mula-mula volumenya V, berapa besarkah suhu harus dinaikkan supaya volumenya menjadi 2 kali volume mula-mula, dengan tekanan tetap.

Penyelesaian:

Diketahui :

V_o = V dan V_t = 2V

            Ditanya : Dt ....?

Jawab :

                      V_t = V_o ( 1 + 1/ 273 Δt )

                      2V = V ( 1+ 1/ 273 Δt )

                      2   = ( 1 + 1/ 273 Δt )

                      1 = 1/ 273 Δt

                      Δt= 273 °C

Jadi suhu gas tersebut harus dinaikkan sebesar 273 °C 

1.    Persamaan umum gas ideal

Dengan

P = tekanan gas (Pa atau N/m²)

V = volume gas (m³)

T = suhu mutlak gas (K)

n = jumlah mol gas (mol)

R = tetapan umum gas (8,314 J/mol K)

2.    Hukum Boyle

Pada kasus Isotermik ( suhu tetap)

3.    Hukum Charles atau Gay Lussac

Pada kasus Isobarik ( tekanan tetap)

4.    Hukum Tekanan

Pada kasus Isokhorik ( Volume tetap)

    Sejumlah gas ideal pada suhu 27^oC Volumenya 2 liter. Hitung volume gas bila dipanaskan pada tekanan tetap sehingga suhunya 327^oC!

Penyelesaian:

1.  Sejumlah gas ideal dalam suatu wadah berada pada tekanan P, volume V, dan suhunya 77^oC. berapa suhu gas jika tekanan dinaikkan 4 kali semula, dan gas dimampatkan hingga volumenya menjadi setengah kali volume mula-mula?

2.  Sejumlah gas yang volumenya 8 liter dimampatkan pada suhu konstan sehingga volumenya menjadi 5 liter. Bila tekanan gas mula-mula 2 atm, berapa tekanan gas sekarang?