Pemuaian Zat Padat: Pengertian, Jenis, Rumus, Contoh Soal dan Pembahasan

Daftar Materi Fisika

• 1. Besaran Fisika
• 2. Vektor dan Resultan
• 3. Mekanika (Kinematika dan Dinamika)
• 4. Fisika Optik
• 5. Suhu dan Kalor

Advertisement

Baca Juga:

Apa itu Pemuaian Zat Padat?

Perhatikan kabel telepon pada musim dingin dan musim panas. Pada musim dingin kabel terlihat kencang dan pada musim panas kabel terlihat kendor. Gelas yang diisi air panas mendadak dapat pecah. Air yang mendidih kadang akan tumpah dari wadahnya jika terus dipanasi.

Beberapa peristiwa di atas merupakan contoh dari pemuaian. Pemuaian merupakan gerakan atom penyusun benda karena mengalami pemanasan. Makin panas suhu suatu benda, makin cepat getaran antaratom yang menyebar ke segala arah. Karena adanya getaran atom inilah yang menjadikan benda tersebut memuai ke segala arah. Pemuaian dapat dialami zat padat, cair, dan gas.

Nah, pada kesempatan kali ini kita hanya akan membahas pemuaian zat padat saja. Lalu tahukah kalian apa yang dimaksud dengan pemuaian zat padat itu? Secara umum, pemuaian zat padat dapat kita definisikan sebagai berikut.

Pemuaian zat padat adalah peristiwa bertambah besarnya ukuran suatu benda padat (ex. logam) karena kenaikan suhu yang terjadi pada benda padat tersebut. Kenaikan suhu yang terjadi, menyebabkan benda itu mendapat tambahan energi berupa kalor yang menyebabkan molekul-molekul pada benda tersebut bergerak lebih cepat.

Setiap zat mempunyai kemampuan memuai yang berbedabeda. Gas, misalnya, memiliki kemampuan memuai lebih besar daripada zat cair dan zat padat. Adapun kemampuan memuai zat cair lebih besar daripada zat padat.

Macam-Macam Pemuaian pada Zat Padat

Pemuaian zat pada dasarnya ke segala arah. Namun, disini kalian hanya akan mempelajari pemuaian panjang, luas, dan volume. Besar pemuaian yang dialami suatu benda tergantung pada tiga hal, yaitu ukuran awal benda, karakteristik bahan, dan besar perubahan suhu benda. Setiap zat padat mempunyai besaran yang disebut koefisien muai panjang.

Koefisien muai panjang suatu zat adalah angka yang menunjukkan pertambahan panjang zat apabila suhunya dinaikkan 1°C. Makin besar koefisien muai panjang suatu zat apabila dipanaskan, maka makin besar pertambahan panjangnya. Demikian pula sebaliknya, makin kecil koefisien muai panjang zat apabila dipanaskan, maka makin kecil pula pertambahan panjangnya.

Koefisien muai panjang (α) beberapa zat dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Sedangkan koefisien muai luas dan volume zat padat, masing-masing adalah β = 2α dan γ = 3α.

Tabel Koefisien Muai Panjang

No	Jenis Bahan	Koefisien Muai Panjang/oC
1	Aluminium	0,000026
2	Baja	0,000011
3	Besi	0,000012
4	Emas	0,000014
5	Kaca	0,000009
6	Kuningan	0,000018
7	Tembaga	0,000017
8	Platina	0,000009
9	Timah	0,00003
10	Seng	0,000029
11	Pyrex	0,000003
12	Perak	0,00002
Sumber: Fisika, Kane & Sternheim, 1991

1. Pemuaian Panjang

Pada zat padat yang berukuran panjang dengan luas penampang kecil, seperti pada kabel dan rel kereta api, kita bisa mengabaikan pemuaian pada luas penampangnya. Pemuaian yang kita perhatikan hanya pemuaian pada pertambahan panjangnya. Pertambahan panjang pada zat padat yang dipanaskan relatif kecil sehingga butuh ketelitian untuk mengetahuinya.

Jika sebuah batang mempunyai panjang mula-mula l1, koefisien muai panjang (α), suhu mula-mula T1, lalu dipanaskan sehingga panjangnya menjadi l2dan suhunya menjadi T2, maka akan berlaku persamaan sebagai berikut.

l2 = l1 + ∆l

……………… Pers. (1)

Karena ∆l = l1α × ∆T, maka persamaan (1) menjadi seperti berikut ini.

l2 = l1(1 + α × ∆T)

…… Pers. (2)

Keterangan:

l1 = panjang batang mula-mula (m)

l2 = panjang batang setelah dipanaskan (m)

∆l = selisih panjang batang = l1 – l2

α = koefisien muai panjang (/°C)

T1 = suhu batang mula-mula (°C)

T2 = suhu batang setelah dipanaskan (°C)

∆T = selisih suhu (°C) = T2 – T1

Contoh Soal Pemuaian Panjang:

Sebuah benda yang terbuat dari baja memiliki panjang 1000 cm. Berapakah pertambahan panjang baja itu, jika terjadi perubahan suhu sebesar 50°C?

Penyelesaian:

Diketahui :

l1 = 1000 cm

∆T = 50 °C

α = 12 × 10-6 °C-1 (lihat di tabel koefisien muai panjang)

Ditanyakan : ∆l = ...?

Jawab:

∆l = l1α × ∆T

∆l = 1000 × 12 × 10-6 × 50

∆l = 60 cm

Jadi, pertambahan panjang benda tersebut sebesar 60 cm.

2. Pemuaian Luas

Untuk benda-benda yang berbentuk lempengan plat (dua dimensi), akan terjadi pemuaian dalam arah panjang dan lebar. Hal ini berarti lempengan tersebut mengalami pertambahan luas atau pemuaian luas. Serupa dengan pertambahan panjang pada kawat, pertambahan luas pada benda dapat dirumuskan sebagai berikut.

A2 = A1(1 + β × ∆T)

……………… Pers. (3)

Diketahui β = 2α, maka persamaan (3) menjadi seperti berikut.

A2 = A1(1 + 2α × ∆T)

…………… Pers. (4)

Keterangan:

A1 = luas bidang mula-mula (m2)

A2 = luas bidang setelah dipanaskan (m2)

β = koefisien muai luas (/°C)

∆T = selisih suhu (°C)

Contoh Soal Pemuaian Luas:

Pada suhu 30oC sebuah pelat besi luasnya 10 m2. Apabila suhunya dinaikkan menjadi 90oC dan koefisien muai panjang besi sebesar 0,000012/oC, maka tentukan luas pelat besi tersebut!

Penyelesaian:

Diketahui:

A1 = 10 m2

T1 = 30oC

T2 = 90oC

∆T = T2 – T1 = 90 – 30 = 60oC

α = 0,000012/oC

β = 2α = 2 × 0,000012/oC = 0,000024/oC

Ditanyakan: A2 = …?

Jawab:

A2 = A1(1 + β × ∆T)

A2 = 10(1 + 0,000024 × 60)

A2 = 10(1 + 0,00144)

A2 = 10 × 1,00144

A2 = 10,0144 m2

Jadi, luas pelat besi setelah dipanaskan adalah 10,0144 m2.

3. Pemuaian Volume

Zat padat yang mempunyai tiga dimensi (panjang, lebar, dan tinggi), seperti bola dan balok, jika dipanaskan akan mengalami muai volume, yakni bertambahnya panjang, lebar, dan tinggi zat padat tersebut. Karena muai volume merupakan penurunan dari muai panjang, maka muai ruang juga tergantung dari jenis zat.

Jika volume benda mula-mula V1, suhu mula-mula T1, koefisien muai ruang γ, maka setelah dipanaskan volumenya menjadi V2, dan suhunya menjadi T2sehingga akan berlaku persamaan sebagai berikut.

V2 = V1(1 + γ × ∆T)

……………… Pers. (5)

Diketahui γ = 3α, maka persamaan (5) menjadi seperti berikut.

V2 = V1(1 + 3α × ∆T)

…………… Pers. (6)

Keterangan:

V1 = volume benda mula-mula (m3)

V2 = volume benda setelah dipanaskan (m3)

γ = koefisien muai ruang (/°C)

∆T : selisih suhu (°C)

Contoh Soal Pemuaian Volume:

Sebuah bejana memiliki volume 1 liter pada suhu 25oC. Jika koefisien muai panjang bejana 2 × 10-5/oC, maka tentukan volume bejana pada suhu 75oC!

Penyelesaian:

Diketahui:

γ = 3α = 3 × 2 × 10-5/oC = 6 × 10-5/oC

∆T = 75oC – 25oC = 50oC

V1 = 1 L

Ditanyakan: V2 = …?

Jawab:

V2 = V1(1 + γ × ∆T)

V2 = 1(1 + 6 × 10-5 × 50)

V2 = 1(1 + 3 × 10-3)

V2 = 1(1 + 0,003)

V2 = 1 × 1,003

V2 = 1,003 liter

Jadi, volume bejana setelah dipanaskan adalah 1,003 liter.