Pemuaian

Jika anda amati kabel listrik secara saksama, tampak kabel listrik melengkung ke bawah karena kendur. Mengapa kabel listrik sengaja dikendurkan, mengapa tidak ditegangkan saja ? Kebanyakan atap rumah di Flores dan Lembata, Nusa Tenggara Timur, terbuat dari seng (Zn). Pada siang hari atau pada malam hari, atap rumah yang terbuat dari seng menimbulkan bunyi. Mengapa seng berbunyi ? Jika anda tinggal di pulau Jawa, mungkin anda pernah mengamati rel kereta api. Pada sambungan rel terdapat celah. Apa fungsi celah pada sambungan rel ?  Masih banyak hal yang dapat anda pikirkan dan pertanyakan berkaitan dengan pokok bahasan pemuaian.

Pemuaian panjang

Kebanyakan benda padat mengalami pemuaian panjang ketika suhunya berubah. Yang dimaksudkan dengan pemuaian panjang adalah panjang benda bertambah atau panjang benda berkurang. Biasanya panjang benda bertambah ketika suhunya meningkat, sebaliknya panjang benda berkurang ketika suhunya menurun. Anda mungkin mengira pemuaian panjang hanya bisa terjadi pada benda-benda seperti kawat tipis.Misalnya tinjau sebuah mobil yang sedang diparkir di pinggir jalan sehingga disinari matahari. Ketika mobil kepanasan, lempeng besi bisa bertambah tebal atau panjang sisinya bisa bertambah. Atap rumah yang terbuat dari seng juga bisa mengalami pemuaian panjang. Dalam hal ini, ketika seng kepanasan, tepi seng bertambah lebar dan seng juga bisa bertambah tebal. Hal yang sama juga terjadi pada rel kereta api dan besi atau baja pada jembatan.

Kebanyakan benda padat memuai atau menyusut ketika suhu benda tersebut berubah, karenanya kita perlu mengetahui bagaimana pengaruh perubahan suhu terhadap pemuaian benda padat. Hal ini sangat membantu kita ketika merancang suatu peralatan, bangunan, kendaraan dll. Contohnya celah pada rel kereta api. Rel kereta api terbuat dari baja. Para insinyur sudah memperhitungkan lebar celah antara setiap rel. Pada siang hari yang panas, rel akan memuai sejauh beberapa centimeter. Ketika dilewati oleh kereta api, suhu rel juga meningkat sehingga rel memuai sepanjang berapa centimeter. Pada malam hari yang dingin, rel menyusut sejauh berapa centimeter.  Berdasarkan hasil analisis, para insinyur memperkirakan berapa jarak antara celah rel, agar ketika suhu rel meningkat, rel tidak saling bersentuhan dan menjadi bengkok.

Untuk membantu kita menurunkan rumus yang menyatakan hubungan antara perubahan suhu dengan besarnya pemuaian panjang, tinjau sebuah benda padat yang mengalami pemuaian, seperti gambar di samping. Keterangan : T_o = suhu awal, T = suhu akhir, L_o = panjang mula-mula, L = panjang setelah memuai, delta L = perubahan panjang, delta T = perubahan suhu.

Pada saat suhu benda = T_o (benda masih dingin), panjang benda = L_o. Pada saat suhu benda = T (suhu benda meningkat), panjang benda = L. Berdasarkan hasil pengamatan dan percobaan, perubahan panjang benda sebanding dengan perubahan suhu. Jika suhu meningkat, panjang benda bertambah. Sebaliknya ketika suhu menurun, panjang benda berkurang. Perubahan panjang benda juga sebanding dengan panjang benda mula-mula (L_o). Jika besar perubahan suhu sama, benda yang panjangnya 10 meter, misalnya, akan bertambah panjang 2x lipat dibandingkan dengan benda yang panjangnya hanya 5 meter. Jadi semakin panjang benda, semakin besar pemuaian benda tersebut.

Perubahan panjang benda (delta L) sebanding dengan perubahan suhu (delta T) :

Perubahan panjang benda (delta L) sebanding dengan panjang benda mula-mula (L_o) :

Perubahan panjang setiap benda berbeda-beda. Walaupun besar perubahan suhu sama, pemuaian yang dialami besi tidak sama dengan kaca. Demikian juga dengan benda yang lain. Jadi pemuaian panjang bergantung pada koefisien muai panjang setiap benda. Koefisien muai panjang untuk setiap benda diperoleh melalui percobaan. Semakin besar koefisien muai panjang, semakin besar pertambahan panjang. Semakin kecil koefisien muai panjang, semakin kecil pertambahan panjang. Bisa dikatakan bahwa perubahan panjang benda sebanding dengan koefisien muai panjang.

Ketiga perbandingan di atas dinyatakan dalam sebuah persamaan :

Panjang total sebuah benda setelah mengalami pemuaian atau penyusutan, dapat diperoleh dengan menjumlahkan panjang benda mula-mula (L_o) dan perubahan panjang benda (delta L).

Apabila perubahan suhu (T-T_o) bernilai negatif, maka perubahan panjang (L-L_o) juga bernilai negatif. Dalam hal ini panjang benda berkurang. Sebaliknya jika perubahan suhu (T-T_o) bernilai positif, maka perubahan panjang (L-L_o) juga bernilai positif. Dalam hal ini benda bertambah panjang.

Berikut ini nilai koefisien muai panjang benda padat, pada suhu 20 ^oC. Bentuk zat cair dan zat gas berubah-ubah sehingga kedua jenis zat ini tidak dapat mengalami pemuaian panjang. Koefisien muai panjang benda padat bergantung juga pada suhu. Pada suhu yang berbeda, koefisien muai panjang benda padat juga berbeda-beda. Jika perbedaan suhu tidak terlalu besar maka perbedaan koefisien muai panjang juga tidak terlalu besar, karenanya dapat diabaikan.

Pemuaian volume

Pemuaian panjang dialami hanya oleh benda padat, pemuaian volume dialami oleh semua benda, baik padat, cair maupun gas. Persamaan pemuaian volume mirip dengan persamaan pemuaian panjang.

Persamaan pemuaian volume di atas hanya berlaku ketika perubahan volume benda (baik padat, cair maupun gas) lebih kecil daripada volume benda mula-mula. Apabila perubahan volume suatu benda lebih besar dari volume benda  mula-mula maka persamaan pemuaian volume tidak memberikan hasil yang tepat. Biasanya perubahan volume yang dialami oleh benda padat tidak terlalu besar. Sebaliknya nilai koefisien volume zat cair dan zat gas cukup besar. Koefisien volume untuk zat gas juga mudah berubah jika suhu berubah. Karenanya rumus di atas digunakan hanya untuk pemuaian benda padat. Rumus menentukan perubahan volume gas akan dipelajari pada pokok bahasan teori kinetik gas di kelas XI.

Referensi