Pemuaian Pada Zat Cair

Pemuaian Zat Cair
Pada zat cair hanya dikenal ukuran volume, karena itu pada zat cair hanya dikenal muai volume.
Makin tinggi kenaikan suhu, makin besar penambahan volume zat cair. Pemuaian zat cair yang satu dengan yang lain umumnya berbeda, meskipun volume zat cair mula-mula sama. Untuk seluruh zat cair pemuaian makin besar jika kenaikan suhu bertambah besar.
Pemuaian zat cair dapat dimanfaatkan dalam penggunaan termometer zat cair, biasanya zat cair yang digunakan adalah raksa atau alkohol. Sifat naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler sebagai akibat pemuaian zat cair inilah yang digunakan untuk mengukur suhu. Permukaan zat cair naik sepanjang pipa kapiler dan berhenti pada posisi tertentu yang sesuai dengan suhu benda. Suhu yang terukur dinyatakan oleh skala yang berimpit dengan permukaan zat cair pada pipa kapiler tersebut.
Pemuaian yang terjadi pada zat cair adalah muai volume. Air yang keluar dari bejana merupakan indikasi perbedaan pemuaian yang berbeda antara zat padat dan zat cair. Air yang tertumpah dari bejana menandakan pemuaian zat cair yang lebih besar dari muai zat padat, dalam hal ini adalah bejananya.
Di bawah ini adalah tabel koefisien muai volume beberapa zat cair.
Tabel 2. Koefisien Muai Volume Zat Cair



Gambar 5. Termometer alkohol adalah salah satu contoh penerapan pemuaian pada zat cair.
Prinsip kerja termometer zat cair menggunakan prinsip dasar pemuaian zat cair. Naiknya permukaan raksa mengindikasikan adanya pemuaian, semakin besar panas yang diterima semakin besar pula tingkat kenaikan raksa.Selain termometer zat cair terdapat termometer lain yaitu termometer digital. Keuntungan dari termometer digital adalah hasil pengukuran lebih akurat dan langsung dapat dilihat, tetapi termometer digital memiliki kekurangan yaitu memerlukan baterai sebagai sumber energi.

Anomali Air
Hampir semua zat akan memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Tetapi, air memiliki sedikit pengecualian. Jika suhu diturunkan, memang volume air akan makin kecil seperli lainnya. Namun pada suatu ketika volume air justru membesar meskipun suhunya tetap diturunkan. Jadi ada suhu dimana air memiliki volume paling kecil. Jika pada suhu tersebut air dipanaskan, volumenya akan bertambah besar, jika pada suhu tersebut air didinginkan, volumenya akan membesar.Sifat air yang demikian disebut anomali air. Pada tekanan 1 atm, volume terkecil yang dimiliki air pada suhu 4°C . Dengan demikian, volume es lebih besar daripada volume air pada suhu 4°C . Karena volumenya paling kecil maka, massa jenis yang terbesar terjadi saat suhu 4°C.



Gafik 1. Pada suhu 4°C air menunjukkan sifat anomali
Ketika danau di daerah yang bersuhu dingin membeku, es yang terbentuk akan mengapung di atas permukaan air. Hal ini terjadi karena massa jenis es lebih kecil daripada air yang bersuhu 1°C sampai 4°C. Itulah sebabnya permukaan danau sudah menjadi es, namun di dasarnya masih menjadi air. Begitu juga bila kita membuat es batu dengan menggunakan pendingin (refrigerator) , volume air sebelum menjadi es akan jauh lebih kecil dibandingkan setelah seluruh air telah berubah menjadi es.

Pemuaian Zat Cair
Pada zat cair tidak melibatkan 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-beda, akibatnya 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.

Anomali Air
Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0º C sampai 4º C volumenya tidak bertambah, akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan anomali air. Oleh karena itu, pada suhu 4ºC air mempunyai volume terendah. Hubungan volume dengan suhu pada air dapat digambarkan pada grafik berikut.Pada suhu 4ºC, air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikkan dari 0ºC – 4ºC akan menyusut, dan bila suhunya dinaikkan dari 4ºC ke atas akan memuai. Biasanya pada setiap benda bila suhunya bertambah pasti mengalami pemuaian. Peristiwa yang terjadi pada air itu disebut anomali air. Hal yang sama juga terjadi pada bismuth dengan suhu yang berbeda. Lakukan kegiatan berikut untuk menyelidiki kecepatan pemuaian pada berbagai macam zat cair.

Pemuaian pada Gas
Mungkin kamu pernah menyaksikan mobil atau motor yang sedang melaju di jalan tiba-tiba bannya meletus?. Ban mobil tersebut meletus karena terjadi pemuaian udara atau gas di dalam ban. Pemuaian tersebut terjadi karena adanya kenaikan suhu udara di ban mobil akibat gesekan roda dengan aspal.

Pemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai
γ adalah koefisien muai volume. Nilai γ sama untuk semua gas, yaitu 1/273 ºC^-1

Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu:
a. pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal),
b. pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar), dan
c. pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik).


1. Pemuaian Gas pada Suhu Tetap (Isotermal)
Pernahkah kalian memompa ban dengan pompa manual. Apa yang kalian rasakan ketika baru pertama kali menekan pompa tersebut? Apa yang kalian rasakan ketika kalian menekannya lebih jauh? Awalnya mungkin terasa ringan. Namun, lama kelamaan menjadi berat. Hal ini karena ketika kita menekan pompa, itu berarti volume gas tersebut mengecil. Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku hukum Boyle, yaitu gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap. Dirumuskan sebagai:
Keterangan:
P = tekanan gas (atm)
V = volume gas (L)

2. Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap (Isobar)
Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku hukum Gay Lussac, yaitu gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai:
Keterangan:
V = volume (L)
T = suhu (K)

3. Pemuaian Gas Pada Volume Tetap (Isokhorik)
Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac, yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan sebagai
Dengan menggabungkan hukum boyle dan hukum Gay Lussac diperoleh persamaan
Keterangan:
P = tekanan (atm)
V = volume (L)
pemuaian pada zat gas

T = suhu (K)

pemuaian pada zat gat membahas tiga peubah atau variabel yaitu volume, suhu dan tekanan. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian gas disebut dilatometer. Salah satu perbedaan antara zat gas dengan zat padat dan cair adalah volume zat gas dapat diubah-ubah dengan mudah. Misal, sebuah tabung gas elpiji. Di dalam tabung gas tentu akan mengadakan tekanan pada dinding tabung. Tekanan ini disebabkan oleh gerakan partikel gas
1. Pengaruh suhu terhadap volume gas
Diketahui bahwa tekanan (p) tetap, sehingga diperoleh persamaan:
volume akhir= volume awal( 1+ gamma dikali delta T)
Dimana gamma = koefisien muai volume gas pada tekanan tetap.
Koefisien muai volume untuk semua gas berlaku gamma=1/273 derajat celcius -1, sehingga diperoleh
volume akhir = volume awal (1 + delta T per 273)
2. Pengaruh suhu terhadap tekanan
Dimana volume (V) sehingga:
tekanan akhir = tekanan awal (1 + gamma dikali delta T)
Dengan gamma =1/273 derajat celcius -1, diperoleh persamaan:
tekanan akhir = tekanan awal (1 + delta T per 273)
Masalah yang Ditimbulkan oleh Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari
a. Pemasangan kaca jendela
Tukang kayu merancang ukuran bingkai jendela yang sedikit lebih besar daripada ukuran sebenarnya. Hal ini dilakukan untuk memberi ruang kaca saat terjadi pemuaian. Apabila desain jendela tidak diberi ruangan pemuaian, maka saat kaca memuai akan mengakibatkan retaknya kaca tersebut.
b. Celah pemuaian pada sambungan jembatan
Sering kamu jumpai sambungan antara dua jembatan beton terdapat celah di antaranya. Hal ini bertujuan agar jembatan tersebut tidak melengkung saat terjadi pemuaian.
c. Sambungan rel kereta api
Sambungan rel kereta api dibuat ada celah diantara dua batang rel tersebut. Hal ini bertujuan agar saat terjadi pemuaian tidak menyebabkan rel melengkung. Rancangan yang sering digunakan sekarang ini sambungan rel kereta api dibuat bertautan dengan ujung rel tersebut dibuat runcing. Penyambungan seperti ini memungkinkan rel memuai tanpa menyebabkan kerusakan.
d. Kawat telepon atau kawat listrik
Pemasangan kawat telepon atau kawat listrik dibiarkan kendor saat pemasangannya pada siang hari. Hal ini dilakukan dengan maksud, pada malam hari kawat telepon atau listrik mengalami penyusutan sehingga kawat tersebut tidak putus.Penerapan Pemuaian dalam Kehidupan Sehari-hari
Beberapa manfaat pemuaian yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, antara lain:
a. Pengelingan
Menyambung dua pelat dengan menggunakan paku khusus dengan proses khusus disebut mengeling. Bagaimanakah cara pemasangan paku keling? Paku keling yang dipakai untuk mengeling sesuatu dalam keadaan panas sampai berpijar dan dimasukkan ke dalam lubang pelat yang hendak kita keling. Kemudian paku bagian atas dipukul-pukul sampai rata. Setelah dingin paku keling tersebut akan menyusut dan menekan kuat pelat tersebut. Pengelingan dapat kamu jumpai pada pembuatan badan kapal laut.
b. Keping bimetal
Dua keping logam yang mempunyai koefisien muai panjang berbeda dikeling menjadi satu disebut keping bimetal. Keping bimetal peka terhadap perubahan suhu. Jika keping bimetal dipanaskan, maka akan melengkung ke arah logam yang angka koefisien muai panjangnya kecil. Bila didinginkan, keping bimetal akan melengkung ke arah logam yang angka koefisien muai panjangnya besar. Perbedaan pemuaian ini dipakai sebagai termostat. Termostat adalah alat yang berfungsi ganda sebagai saklar otomatis dan sebagai pengatur suhu. Beberapa alat yang memanfaatkan keping bimetal dalam termostat, antara lain: setrika listrik, almari es, bel listrik, alarm kebakaran, lampu sen mobil atau motor, rice cooker, oven.
c. Pemasangan bingkai roda logam pada pedati dan kereta api
Roda pedati dan roda kereta api memiliki ukuran lebih kecil daripada ukuran bingkainya. Untuk dapat memasang roda logam tersebut , maka dengan cara pemanasan. Hal ini mengakibatkan roda logam akan mengalami pemuaian. Kemudian roda logam tersebut dipasang pada bingkainya, setelah dingin roda akan menyusut dan terpasang pada bingkainya dengan kuat.
Rangkuman
1. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat disebut muschen broek.
2. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut labu didih.
3. Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian gas disebut dilatometer.
4. Masalah yang ditimbulkan oleh pemuaian dalam kehidupan seharihari
a. Pemasangan kaca jendela
b. Celah pemuaian pada sambungan jembatan
c. Sambungan rel kereta api
d. Kawat telepon atau kawat listrik
5. Beberapa manfaat pemuaian yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, antara lain:
a. Pengelingan
d. Keping bimetal
e. Pemasangan bingkai roda logam pada pedati dan kereta api
Pemuaian terjadi ketika zat dipanaskan (menerima kalor), partikel-partikel zat bergetar lebih cepat sehingga saling menjauh dan benda memuai. Sebaliknya, ketika zat didinginkan (melepas kalor) partikel-partikel zat bergetar lebih lemah sehingga saling mendekati dan benda menyusut.
Muai panjang berbagai zat padat diselidiki dengan alat Musschenbrock. Dengan alat ini ditemukan bahwa muai panjang zat padat bergantung pada tiga faktor:
1. panjang awal (lo) : makin besar panjang awal, maka makin besar muai panjang
2. kenaikan suhu (T): makin besar kenaikan suhu, maka makin besar muai panjang
3. jenis bahan.
Pemuaian zat cair mengikuti bentuk wadahnya sehingga zat cair hanya mengalami muai volume saja. Muai volume zat cair juga bergantung pada jenis zat cair, yang dinyatakan oleh besaran koefisien muai volumnya. Telah diketahui bersama bahwa kenaikan suhu yang sama, volume alkohol lebih besar daripada muai volume raksa.Termometer raksa menunjukkan bahwa untuk kenaikan suhu yang sama, muai volume zat cair (raksa) lebih besar daripada muai volume zat padat (pipa kapiler dari kaca). Dalam keseharian, jika teko berisi air hampir penuh dipanaskan, maka ketika mendidih sebagian air tumpah dari teko.Pemuaian zat gas diselidiki dengan alat dilatometer. Diperoleh nilai koefisien muai untuk semua jenis gas sama, yaitu 1/273 /K atau 0,00367/K. Muai gas dapat dimanfaatkan termometer gas.Masalah pemuaian zat dapat kita lihat dapat kehidupan sehari-hari, misalnya retaknya gelas tebal ketika diisi air mendidih. Ini karena sisi dalam gelas memuai lebih dahulu daripada sisi luarnya. Beberapa cara untuk mengatasi masalah-masalah yang disebabkan oleh pemuaian zat adalah: (1) ukuran bingkai kaca lebih besar daripada ukuran kaca, (2) sambungan antara dua batang rel diberi celah, (3) salah satu ujung jembatan yang memuai diberi celah, (4) sambungan antara dua lintasan jalan beton diberi celah, (5) kawat telepon atau kawat listrik dibiarkan kendor pada hari panas agar tidak putus ketika menyusut pada hari dingin.Manfaat pemuaian zat dalam kehidupan sehari-hari antara lain: (1) termometer zat cair (raksa dan alkohol), (2) termometer gas, (3) pengelingan pelat logam, (4) pemasangan roda pada ban baja lokomotif atau pemasangan bingkai besi pada roda sado/pedati.Keping bimetal adalah dua keping logam yang berbeda koefisien muai panjang dikeling menjadi satu. Jika dipanaskan, keping melengkung ke arah yang koefisien muainya lebih kecil dan jika didinginkan, keping melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih besar. Sifat pelengkungan keping bimetal yang peka terhadap perubahan suhu dimanfaatkan pada saklar termal, termostat bimetal, dan lampu rem mobil.










Pemuaian Zat Padat

Tujuan
Mengamati Pemuaian Zat Padat
Alat dan bahan
Alat musschenbroek, beberapa batang logam, pembakar spiritus, dan korek api
Cara kerja
1. Sediakan alat musschenbroek, beberapa batang logam yang berbeda (misalnya aluminium, tembaga, dan besi), dan pem- bakar spiritus atau pembakar bunsen.
2. Aturlah alat tersebut agar kedudukan ketiga jarum me nun- jukkan skala yang sama.
3. Panaskan ketiga batang logam tersebut beberapa menit dengan pembakar spiritus. Perhatikan jarum penunjuk dari ke tiga logam tersebut.Apakah yang terjadi?
Pertanyaan
1. Ketika ketiga logam tersebut dipanaskan, apakah jarumnya bergerak? Menunjukkan apakah pergerakan jarum tersebut?
2. Apakah penyimpangan jarum dari ketiga logam tersebut sama? Apakah artinya?
3. Jika pemanasan kamu teruskan, apakah akibatnya terhadap pe nambah an panjang zat tersebut?
4. Berilah kesimpulan hasil kegiatan Ayo Coba 3.5.


Pemuaian Zat Cair

Tujuan
Mengamati pemuaian pada zat cair
Alat dan bahan
Labu erlenmeyer, zat cair (misalnya air, minyak goreng, dan alkohol), pipa kapiler, dan sumbat karet
Cara kerja
1. Sediakan labu erlenmeyer, zat cair (misalnya air, minyak goreng, dan alkohol), pipa kapiler, dan sumbat karet.
2. Masukkan air, minyak goreng, dan alkohol di dalam labu
erlenmeyeryang disertai pipa yang sudah dipasangkan melalui sumbat karet. Masukkan ketiga labu tersebut pada air yang mendidih..
3. Amati setiap zat cair pada ketiga pipa tersebut.
Pertanyaan
1. Apakah yang terjadi pada zat cair dalam pipa?
2. Menunjukkan apakah naiknya zat cair pada pipa?
3. Apakah naiknya zat cair pada ketiga pipa sama tinggi?
4. Berilah kesimpulan dari kegiatan di atas.

3. Pemuaian Gas

Tujuan
Mengamati pemuaian gas
Alat dan bahan
Labu erlenmeyer, sumbat karet, pipa kaca, pembakar spiritus, dan gelas kimia
Cara kerja
1. Sediakan labu erlenmeyer, sumbat karet, pipa kaca, pembakar spiritus, dan gelas kimia.
2. Susunlah alat dan bahan .Susunan tersebut menyerupai sebuah alat yang disebut dilatometer, yaitu suatu alat untuk membuktikan pemuaian pada gas.
3. Panaskan gelas erlenmeyer. Perhatikan yang terjadi pada zat cair dalam pipa dan dalam gelas kimia.
Pertanyaan
1. Ketika udara di dalam labu erlermeyer dipanaskan, apakah yang terjadi pada air di dalam gelas kimia? 2. Menunjukkan apakah terjadinya gelembung pada zat cair di dalam gelas kimia?
3. Berilah kesimpulan dari kegiatan ini.


Penerapan Konsep Pemuaian Zat
Penerapan Konsep Pemuaian Zat dalam Kehidupan Sehari-Hari
Prinsip pemuaian zat banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini adalah beberapa contoh penerapannya:

1. Pemasangan Kaca Jendela
Pemasangan kaca jendela memperhatikan juga ruang muai bagi kaca sebab koefisien muai kaca lebih besar daripada koefisien muai kayu tempat kaca tersebut dipasang. Hal ini penting sekali untuk menghindari terjadinya pembengkokan pada bingkai.
2. Pemasangan Sambungan Rel Kereta Api
Penyambungan rel kereta api harus menyediakan celah antara satu batang rel dengan batang rel lain. Jika suhu meningkat, maka batang rel akan memuai hingga akan bertambah panjang. Dengan diberikannya ruang muai antar rel maka tidak akan terjadi desakan antar rel yang akan mengakibatkan rel menjadi bengkok.
3. Pemasangan Bingkai Besi pada Roda Pedati
Bingkai roda pedati pada keadaan normal dibuat sedikit lebih kecil daripada tempatnya sehingga tidak dimungkinkan untuk dipasang secara langsung pada tempatnya. Untuk memasang bingkai tersebut, terlebih dahulu besi harus dipanaskan hingga memuai dan ukurannya pun akan menjadi lebih besar daripada tempatnya sehingga memudahkan untuk dilakukan pemasangan bingkai tersebut. Ketika suhu mendingin, ukuran bingkai kembali mengecil dan terpasang kuat pada tempatnya.
4. Pemasangan Jaringan Listrik dan Telepon
Kabel jaringan listrik atau telepon dipasang kendur dari tiang satu ke tiang lainnya sehingga saat udara dingin panjang kabel akan sedikit berkurang dan mengencang. Jika kabel tidak dipasang kendur, maka saat terjadi penyusutan kabel akan terputus.
5. Keping Bimetal
Keping bimetal adalah dua buah keping logam yang memiliki koefisien muai panjang berbeda yang dikeling menjadi satu. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Pada suhu normal panjang keping bimetal akan sama dan kedua keping pada posisi lurus. Jika suhu naik kedua keping akan mengalami pemuaian dengan pertambahan panjang yang berbeda. Akibatnya keping bimetal akan membengkok ke arah logam yang mempunyai koefisien muai panjang yang kecil.
6. Termometer
Termometer adalah alat yang dirancang untuk mengukur suhu suatu zat. Ada beberapa jenis termometer, yang prinsip kerjanya bergantung pada beberapa sifat zat yang berubah terhadap suhu. Sebagian besar termometer umumnya bergantung pada pemuaian zat terhadap naiknya suhu. Ide pertama penggunaan termometer adalah oleh Galileo, yang menggunakan pemuaian gas. Termometer umum saat ini terdiri dari tabung kaca dengan ruang di tengahnya yang diisi air raksa atau alkohol yang diberi warna merah.
Pada skala Celsius, titik beku dipilih 0oC (“nol derajat Celsius”) dan titik didih 100oC. Pada skala Fahrenheit, titik beku ditetapkan 32oF dan titik didih 212oF. Termometer praktis dikalibrasi dengan menempatkannya di lingkungan yang telah diatur dengan teliti untuk masing-masing dari kedua suhu tersebut dan menandai posisi air raksa atau penunjuk skala. Untuk skala Celsius, jarak antara kedua tanda tersebut dibagi menjadi seratus bagian yang sama dan menyatakan setiap derajat antara 0oC dan 100oC. Untuk skala Fahrenheit, kedua titik diberi angka 32oF dan 212oF, jarak antara keduanya dibagi menjadi 180 bagian yang sama. Untuk suhu di bawah titik beku air dan di atas titik didih air, skala dapat dilanjutkan
dengan menggunakan selang yang memiliki jarak sama. Bagaimana pun, termometer biasa hanya dapat digunakan pada jangkauan suhu yang terbatas karena keterbatasannya sendiri.Keping bimetal dapat dimanfaatkan dalam berbagai keperluan misalnya pada termometer bimetal, termostat bimetal pada seterika listrik, saklar alarm bimetal, sekring listrik bimetal. Pemanfaatan pemuaian zat yang tidak sama koefisien muainya dapat berguna bagi industri otomotif, misalnya pada bimetal yang dipasang sebagai saklar otomatis atau pada lampu reting kendaraan.




TUGAS FISIKA