Memahami Perubahan Suhu dan Pemuaian Benda Padat, Cair, Gas

APA yang terjadi pada benda jika suhunya berubah? Salah satu perubahan yang terjadi pada benda yaitu ukurannya. Jika suhu benda naik, secara umum ukuran benda bertambah. Peristiwa ini disebut pemuaian.

Pemuaian ini terjadi pada zat padat, cair, dan gas. Berikut penjelasan rinci tentang pemuaian benda akibat perubahan suhu dan contoh soalnya sebagaimana dilansir dari buku Ilmu Pengetahuan Alam  Untuk SMP/MTs Kelas VII Semester 1 dengan penulis Wahono Widodo, Fida Rachmadiarti, dan Siti Nurul Hidayati.

1. Pemuaian zat padat.

Zat padat dapat mengalami pemuaian. Gejala ini memang sulit untuk diamati secara langsung, tetapi sering kali kamu dapat melihat pengaruhnya. Misalnya, saat kamu menuangkan air panas ke dalam gelas, tiba-tiba gelas itu retak. Retaknya gelas ini karena terjadinya pemuaian yang tidak merata pada gelas itu. 

Baca juga: Termometer dan Skala Suhu dalam Celsius, Fahrenheit, Reamur, Kelvin

Pada umumnya, benda atau zat padat akan memuai atau mengembang jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Pemuaian dan penyusutan itu terjadi pada semua bagian benda, yaitu panjang, lebar, dan tebal benda tersebut.

Jika benda padat dipanaskan, suhunya akan naik. Pada suhu yang tinggi, atom dan molekul penyusun logam tersebut akan bergetar lebih cepat dari biasanya sehingga logam tersebut akan memuai ke segala arah.

Baca juga: Lima Cara Memisahkan Campuran: Penyaringan, Sentrifugasi, Sublimasi, Kromatografi, Distilasi

Para perancang bangunan, jembatan, dan jalan raya harus memperhatikan sifat pemuaian dan penyusutan bahan karena perubahan suhu. Jembatan umumnya dibuat dari besi baja yang saling disambungkan satu dengan lainnya.

Untuk itu, agar sambungan besi baja tidak melengkung karena memuai akibat terik panas matahari atau menyusut di malam hari, sambungan-sambungan besi baja tidak boleh dipasang saling rapat satu dengan lainnya. Harus ada rongga yang cukup di antara sambungan-sambungan itu.

Baca juga: Materi Zat Campuran Homogen Larutan Asam dan Basa

Bimetal dibuat berdasarkan sifat pemuaian zat padat. Bimetal antara lain dimanfaatkan pada termostat. Prinsip kerja termostat sebagai berikut. Jika udara di ruangan dingin, keping bimetal akan menyusut, membengkok ke kiri, dan menyentuh logam biasa sehingga kedua ujungnya saling bersentuhan. Sentuhan antara kedua ujung logam itu menjadikan rangkaian tertutup dan menyalakan pemanas sehingga ruangan menjadi hangat. 

Jika untuk mengontrol ruangan berpendingin, cara kerjanya serupa. Saat ruangan mulai panas, termostat bengkok dan menghubungkan rangkaian listrik sehingga pendingin kembali bekerja.

Baca juga: Perubahan Materi secara Fisika dan Kimia serta Ciri-Cirinya

Hasil percobaan menunjukkan jika panjang logam mula-mula sama, untuk logam yang berbeda ternyata pertambahan panjangnya berbeda. Besaran yang menentukan pemuaian panjang zat padat ialah koefisien muai panjang. Koefisien muai panjang suatu zat padat ialah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang tiap satu satuan panjang zat itu jika suhunya dinaikkan 1°C.

Sebagai contoh, muai panjang kaca sebesar 9 x 10-6/°C. Ini berarti jika 1 meter kaca suhunya bertambah 1°C, panjangnya bertambah 0,000009 meter. 

Koefisien muai panjang bahan

Kaca biasa 0,000009/°C.

Kaca Pyrex 0,000003/°C.

Aluminium 0,000026/°C.

Kuningan 0,000019/°C.

Baja 0,000011/°C.

Tembaga 0,000017/°C.

Penggunaan matematika

koefisien muai panjang = pertambahan panjang : panjang mula-mula x kenaikan suhu.

Jika dalam bentuk lambang:

α = ∆L : Lo x ∆T

Pertambahan panjang merupakan panjang akhir dikurangi panjang mula-mula

(Lt– Lo).

Jadi

α = (Lt-Lo) : Lo x ∆T

Karena itu, panjang benda setelah pemuaian dapat ditentukan, yakni

L = Lo + Lo (α x ∆T)

Contoh penerapan

Panjang aluminium pada suhu 30°C adalah 100 cm. Koefisien muai panjang aluminium sebesar 0,000025/°C, hitung panjang aluminium itu pada suhu 80°C!

Diketahui

Lo = 100 cm.

α = 0,000025/°C.

∆T = 80°C - 30°C = 50°C.

Jawab

L = Lo + Lo (α x ∆T).
 
= 100 cm + 100 cm (0,000025/°C x 50°C).

= 100,125 cm.
 
Jadi, panjang aluminium pada suhu 80°C sebesar 100,125 cm.

Pemuaian luas dan volume zat padat

Jika suatu benda berbentuk lempengan dipanaskan, pemuaian terjadi pada kedua arah sisi-sisinya. Pemuaian semacam ini disebut pemuaian luas. 

Pemasangan pelat-pelat logam selalu memperhatikan peristiwa pemuaian luas. Pemuaian luas memiliki koefisien muai sebesar dua kali koefisien muai panjang. Karenanya, lempengan baja memiliki koefisien muai luas sebesar 0,000022/°
C.

Bagaimanakah pemuaian yang dialami oleh kelereng dan balok besi jika kedua benda tersebut dipanaskan? Benda-benda yang berdimensi tiga (memiliki panjang, lebar, dan tinggi) akan mengalami muai ruang jika dipanaskan. 

Pemuaian ruang memiliki koefisien muai tiga kali koefisien muai panjang. Karenanya, balok baja jika dipanaskan akan memuai dengan koefisien muai sebesar 0,000033/°C.

Pernahkah kamu menjumpai daun pintu tidak dapat ditutupkan pada bingkai pintunya? Kaca jendela tidak dapat masuk ke dalam bingkainya? Hal itu terjadi karena pemasangan daun pintu dan kaca jendela terlalu rapat dengan bingkainya sehingga ketika terjadi pemuaian atau penyusutan tidak tersedia lagi rongga yang cukup.

Perlu diketahui

Partikel-partikel zat padat selalu bergerak (bergetar). Gerakan partikel makin cepat sehingga memerlukan ruangan antara partikel yang lebih besar. Jarak antara partikel makin besar, zat padat itu memuai, bertambah panjang, bertambah luas, dan akhirnya bertambah volumenya.

2. Pemuaian Zat Cair dan Gas.

Sebagaimana zat padat, zat cair juga memuai jika dipanaskan. Bahkan, pemuaian zat cair relatif lebih mudah atau lebih cepat teramati dibandingkan dengan pemuaian zat padat. 

Gas juga memuai jika dipanaskan. Sifat pemuaian gas harus diperhatikan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya ketika memompa ban sepeda jangan terlalu keras, seharusnya sesuai ukuran. Nah, sekarang carilah contoh gejala dan pemanfaatan pemuaian zat cair dan gas dalam kehidupan sehari-hari!

Demikian pelajaran kita saat ini tentang perubahan suhu yang berdampak pada perubahan zat padat, cair, dan gas. Semoga kita dapat lebih memahami tentang suhu dan pemuaian dengan membaca artikel ini. (Z-2)