Materi Pokok Pemuaian

BAB II : LANDASAN TEORI

C. Pembelajaran Fisika Materi Pokok Pemuaian

2. Materi Pokok Pemuaian

dalam mengamati, mengoperasikan alat, atau berlatih menggunakan objek konkrit disertai dengan diskusi diharapkan siswa dapat bangkit sendiri untuk berfikir, untuk menganalisa data, untuk menjelaskan ide, untuk bertanya, untuk berdiskusi, dan untuk menulis apa yang dipikirkan sehingga memberi kesempatan untuk mengkontruksikan pengetahuannya sendiri.⁵⁰

2. Materi Pokok Pemuaian

Materi pokok pemuaian yang akan dibahas dalam penelitian ini dengan standar akompetensi dan kompetensi dasar pada kelas VII MTs Taqwal Ilah semester 1 adalah :

Standar Kompetensi : Memahami wujud zat dan perubahannya Kompetensi Dasar : Melakukan percobaan yang berkaitan dengan

pemuaian dalam kehidupan sehari-hari. a. Pemuaian Zat Padat

Semua zat padat memuai jika dipanaskan. Akan tetapi, pemuaian tersebut tidak dapat diamati oleh mata karena sangat kecil. Pemuaian batang logam mempunyai arah memanjang sehingga pemuaian seperti ini disebut muai panjang. Selain itu juga mengalami pemuaian luas dan mengalami pemuaian volume.

Di dalam pemuaian panjang ada beberapa faktor yang mempengaruhi muai panjang, yaitu:

1) Panjang zat padat mula-mula 2) Kenaikan suhu

3) Jenis bahan

Adapun pertambahan panjang batang satuan panjang pada setiap kenaikan suhu 1 derajat disebut koefisien muai panjang (𝛼). Setiap zat padat mempunyai nilai koefisien muai panjang tertentu yang berbeda satu dengan lainnya. Koefisien muai panjang dapat ditulis dalam bentuk rumus:

50

24 𝛼 = ^∆𝑙

𝑙₀∆𝑇

∆𝑙 merupakan perubahan panjang atau antara panjang akhir dan panjang awal. Dari rumus di atas untuk menentukan panjang suatu benda setelah diberi kalor beberapa saat (l) dirumuskan:

𝛼 = ^∆�_ 𝑙₀∆𝑇 𝑙 − 𝑙₀ = 𝛼𝑙₀∆𝑇

𝑙 = 𝑙₀(1 + 𝛼∆𝑇) dimana ∆𝑇 = (𝑇 − 𝑇₀) Keterangan:

𝛼 = koefisien muai panjang (per 0

C) ∆𝑙 = perubahan panjang (m) 𝑙 = panjang awal (m) ∆𝑇 = perubahan suhu (0 C) T₀ = suhu awal (⁰C) T = suhu akhir (⁰C)

Sebenarnya, pemuaian zat padat dapat berlangsung ke segala arah. Namun, untuk zat padat berbentuk batang, pemuaian yang dominan terjadi adalah ke arah memanjang. Hal ini berbarti benda pada berbentuk batang mengalami muai panjang. Pada benda padat berbentuk lempengan tipis mengalami muai luas. Benda padat berbentuk ruang mengalami muai volume.

Jika suatu benda padat yang pada suhu awalnya (T0) mempunyai luas A0, setelah suhunya berubah menjadi T, luasnya berubah menjadi A = 𝐴₀(1 + 𝛽∆𝑇).( 𝛽 = koefisien muai luas = 2 𝛼).

Jika suatu benda padat yang pada suhu awalnya (T₀) mempunyai volume (V0), setelah suhunya mencapai T volumenya menjadi 𝑉 = 𝑉₀(1 + 𝛾∆𝑇). (𝛾 = koefisien muai volume = 3α).51

51

Budi Purwanto, Semesta Fenomena Fisika I untuk Kelas VII SMP dan MTs, (Solo: PT. Tiga Serangkai Pustaka Mandiri, 2009), hlm. 93-94

25 Contoh bentuk demonstrasi:

Tujuan : Menyelidiki proses muai zat padat Alat dan bahan :

- Musschenbroek (terdiri dari 3 macam logam: besi, aluminium, tembaga) yang memiliki panjang dan luas sama.

- Spiritus - Korek api Langkah kerja:

- Siapkan dan pasang alat musschenbroek

- Letakkan ke tiga macam logam pada posisi masing-masing. Atur ketiga pengatur sehingga ketiga jarum menunjukkan skala yang sama.

- Tuangkan spiritus secukupnya dalam wadah pembakar spiritus, kemudian nyalakan apinya.

- Amati jarum pada alat tersebut. Kesimpulan

Pada percobaan ini, ternyata aluminium mengalami pertambahan panjang yang lebih besar daripada logam lain (tembaga dan besi). Ini disebabkan logam aluminium memiliki koefisien muai panjang lebih besar. Pemuaian panjang bergantung pada jenis zat dan suhu.

Contoh soal:

1) Sebatang baja pada suhu 0 ⁰C panjangnya 100 cm. Berapakah pertambahan panjangnya jika dipanasi higga 100 ⁰C dan diketahui koefosien muai panjang baja 12 x 10^-6 / ⁰C

Penyelesaian Diketahui T0 = 0 ⁰C T = 100 ⁰C l0 = 100 cm α = 12 x 10^-6 / ⁰C Δl = . . . ?

26 Jawab:

Δl = α l0 ΔT

= 12 x 10^-6 / ⁰C 100 cm × (100 - 0) ⁰C = 0,12 cm

Jadi, jika suhu besi naik dari 0 ⁰C ke 100 ⁰C, besi mengalami pertambahan panjang 0,12 cm. Dengan kata lain, pada suhu 100 ⁰C panjang besi menjadi 100,12 cm.

2) Kaca jendela mempunyai luas 1,5 m² pada suhu 20 ⁰C. jika kaca itu terkena panas matahari hingga suhunya mencapai 50 ⁰C dan koefisien muai panjang kaca 9× 10^-6 /⁰C. berapakah luas kaca itu? Penyelesaian Diketahui: T₀ = 20 ⁰C A0 = 1,5 m² T = 50 ⁰C α = 9× 10^-6 /⁰C A = . . . ? Jawab A =A₀ (1 + β ΔT) = A₀ {1 + (2 α) (T – T₀)} = 1,5 {1 + (2 (9× 10^-6 /⁰C)) (50-20)} = 1,50013 m²

3) Kubus aluminium mempunyai volume 25 ml pada suhu 0 ⁰C. jika koefisien muai panjang aluminium 25 × 10^-6 /⁰C. berapakah volume kubus pada suhu 100 ⁰C ?

Penyelesaian Diketahui: T0 = 0 ⁰C V0 = 25 ml T = 100 ⁰C Α = 25× 10^-6 /⁰C

27 V = . . .? Jawab: 𝑉 = 𝑉₀ 1 + 𝛾∆𝑇 = 𝑉₀ 1 + 3𝛼 𝑇 − 𝑇₀ = 25 {1 + (3 . 25× 10^-6) (100 - 0)} = 25,19 ml

b. Pemuaian Zat Cair

Pada umumnya, zat cair memuai jika dipanaskan. Karena sifatnya selalu mengikuti bentuk wadahnya. Zat cair tidak mengalami muai panjang, tetapi mengalami muai volume. Muai volume adalah pertambahan volume akibat adanya pemuaian. Adapun pertambahan volume tiap satuan volume dalam setiap kenaikan suhu sebesar satu derajat disebut koefisien (angka) muai volume. Sebagaimana zat padat, koefisien muai volume setiap zat cair tidak sama.⁵²

Jadi, volume zat cair bertambah ketika suhunya dinaikkan. Karena molekul zat cair lebih bebas dibandingkan pada zat padat. Sifat pemuaian zat cair inilah yang biasa digunakan untuk mengukur suhu benda dengan termometer. Sedangkan alat untuk menyelidiki muai ruang zat cair adalah tabung dilatometer atau tabung labu berpipa.

Apabila volume zat cair adalah V0, Volume akhirnya adalah V, maka perubahan suhu sebesar ∆T menyebabkan perubahan volume.

∆𝑉 = 𝑉₀𝛾∆𝑇 𝑉 − 𝑉₀= 𝑉₀𝛾∆𝑇 𝑉 = 𝑉₀ 1 + 𝛾∆𝑇 Keterangan:

𝛾 = koefisien muai volume (per 0

C) ∆𝑉 = perubahan volume (cm3 ) 𝑉 = volume akhir (cm3 ) V₀ = volume awal (cm³) ∆𝑉= perubahan suhu (0 C) 52

28

Gambar 2.1.

Grafik perubahan volume dan massa jenis zat cair terhadap suhu (anomali air)

Walaupun sebagian besar zat cair memuai ketika dipanaskan, air memiliki suatu keistimewaan. Ketika didinginkan, air menyusut sampai suhu 4 ⁰C. Jika didinginkan lagi, air justru memuai sampai suhunya mencapai 0 ⁰C. Ketika berada pada suhu 0 ⁰C air berubah bentuk menjadi es yang volumenya lebih besar. Jika es ini didinginkan lagi, ia akan menyusut seperti layaknya zat lain. Sifat air yang seperti ini disebut dengan anomali air.

Contoh bentuk demonstrasi:

Tujuan : Menyelidiki pemuaian zat cair Alat dan Bahan :

- Alkohol - Air panas

- Pipa kaca berskala - Dua labu didih

- Ember - sumbat labu (steroform atau karet) Langkah kerja :

- Isilah labu didih dengan alkohol penuh.

- Tutuplah labu dengan sumbat yang dilubangi untuk tempat memasukkan pipa kaca berskala.

- Masukkan labu tersebut ke dalam ember yang berisi air panas. 0⁰C 4⁰C Suhu (⁰C)

Volume (cm³)

0⁰C 4⁰C Suhu (⁰C) Massa jenis (g/cm³)

29

- Tunggulah beberapa saat hingga permukaan alkohol pada pipa mencapai kesetimbangan.

- Perhatikan ketinggian air pada pipa. Kesimpulan :

Dari percobaan di atas, bahwa zat cair (alkohol) akan mengalami pemuaian seperti benda padat. Ketika labu dimasukkan ke dalam air panas, alkohol dan labu didih sama-sama memuai. Tetapi karena pemuaian zat cair (alkohol) lebih besar dari wadah (labu didih). Jika pemanasan dilanjutkan sebagian zat cair akan tumpah. Pemuaian berbagai zat cair berbeda-beda sesuai dengan jenis zatnya.

Contoh soal :

Berapakah volume minyak tanah pada suhu 60 ⁰C. Apabila volumenya pada suhu 30 ⁰C ialah 100 liter? Koefisien muai ruang minyak tanah 0,0009/⁰C. Penyelesaian: Diketahui V₀ = 100 liter T₀ = 30 ⁰C T₁ = 60 ⁰C 𝛾 = 0,0009 /0 C V1 = . . . ? Penyelesaian: 𝑉 = 𝑉₀ 1 + 𝛾∆𝑇 = 100 (1 + 0,0009 . 30) = 100 × 1,027 = 102,7 liter c. Pemuaian Zat Gas

Sebagaimana zat cair, gas juga mengalami muai volume. Koefisien mai volume gas lebih besar daripada zat cair dan proses pemuaiannya lebih rumit. Hal ini karena gas mempunyai tiga besaran

30

yang sangat erat hubungannya, yaitu suhu, tekanan dan volume. Jika ingin menentukan muai volume karena kenaikan suhu, tekanan gas harus tetap. Sebaliknya, jika ingin menentukan tekanan karena kenaikan suhu, volumennya harus tetap, yaitu sebesar ¹

273⁰C atau 0,0037 /⁰C. Gas dapat memuai pada tekanan tetap dan pada volume tetap. Khusus untuk gas, pemuaian volume dapat menggunakan persamaan seperti pemuaian zat cair:

∆𝑉 = 𝑉₀𝛾_𝜌∆𝑇 𝑉 = 𝑉₀ 1 + 𝛾_𝜌 ∆𝑇 Keterangan :

𝛾_𝜌= 𝛾 = koefosien mai volume gas pada tekanan tetap (per 0

C) ∆𝑉 = perubahan volume (cm²)

�𝑉 = volume akhir (cm³) 𝑉₀ = volume awal (cm³) ∆𝑇 = perubahan suhu (⁰C)

Perubahan volume gas tidak hanya menggunakan persamaan tersebut di atas, namun ada besaran-besaran lain yang perlu diperhatikan seperti tekanan dan temperatur. Persamaan yang berlaku dalam pemuaian dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut. 1) Tekanan tetap

Pada gas, tidak hanya volume dan temperatur saja yang terpengaruh oleh panas tetapi tekanannya juga terpengaruh. Persamaan gas pada tekanan tetap dilakukan dengan cara : sebuah boloa kaca (A) mempunayai pipa sempit (B). Di dalam terdapat setetes raksa (C). Jika bola kaca dipanasi sedikit, maka raksa akan bergerak ke kanan.

31

Gambar. 2. 2.

Pemuaian gas pada tekanan tetap

Pada pemanasan ini tekanan gas selalu tetap (tekanan udara luar) tetapi volume berubah. Rumus koefisien muai ruang untuk gas (γ) hanya berlaku pada tekanan tetap (konstan), sehingga rumusnya: 𝑉₁ 𝑇₁ ⁼ 𝑉₂ 𝑇₂ Keterangan:

V1 = volume gas sebelum dipanaskan (m³) V₂ = volume gas setelah dipanaskan (m³) T₁ = suhu gas sebelum dipanaskan (⁰C) T2 = suhu gas setelah dipanaskan (⁰C) 2) Volume tetap

Pada pemanasan gas pada volume tetap dirumuskan: 𝑃₁

𝑇₁ ⁼ 𝑃₂ 𝑇₂ Keterangan :

P1 = tekanan gas sebelum dipanaskan (atm atau N/m²) P2 = tekanan gas setelah dipanaskan (atm atau N/m²) T1 = suhu gas sebelum dipanaskan (⁰K)

T₂ = suhu gas setelah dipanaskan (⁰K) Contoh bentuk demonstrasi

Tujuan : Menunjukkan bahwa gas memuai Alat dan bahan :

- 2 ember / baskom berisi air panas dan air dingin Raksa

Udara

C _B

32 - 1 buah botol

- 1 buah balon Langkah kerja

- Masukkan mulut balon yang belum ditiup ke dalam mulut botol. - Isi ember atau baskom dengan air panas dan air dingin. Celupkan

bagian bawah botol tersebut ke dalam ember atau baskom yang berisi air panas. Apa yang terjadi?

- Kemudian masukkan pada baskom yang diisi air dingin. Apa yang terjadi ?

Kesimpulan

Dari percobaan ini, ketika memasukkan bagian bawah botol ke dalam ember air panas, udara dalam botol memuai. Ini menyebabkan balon mengembang. Ketika bagian bawah botol dicelupkan dengan air dingin suhu udara berkurang. Udara menyusut dan balon mengempis. Dari percobaan ini menunjukkan bahwa udara memuai jika dipanaskan. Contoh soal:

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

Jawab Diketahui : V₀ = V dan V_t = 2 V Ditanya : Δt ....? Penyelesaian : 𝑉 = 𝑉₀ 1 + 𝛾_𝜌 ∆𝑇 𝑉_𝑡 = 𝑉₀ 1 + ¹ 273 ^∆𝑇 2𝑉 = 𝑉 1 + ¹ 273 ^∆𝑇 2 = 1 + ¹ 273 ^∆𝑇

33 1 = ¹

273 ^∆𝑇 ∆𝑇 = 273 0

C

Jadi suhu gas tersebut harus dinaikkan sebesar 273 ⁰C

2) Gas dalam ruang tertutup volunya 3000 cm³, suhunya 300 K dan tekanannya 6 atm. Tentukan:

a) Volume gas jika suhunya dinaikkan hingga 400 K pada tekanan tetap

b) Tekanan gas jika suhunya dinaikkan hingga 360 K pada volume tetap Jawab Diketahui: V1 = 3000 cm³ P1 = 6 atm T1 = 300 K Penyelesaian: a) ^𝑉_𝑇¹ 1 = ^𝑉2 𝑇₂ T₂ = 400 K 3000 300 ⁼ 𝑉₂ 400 V₂=^{400 .3000} 300 =4000 cm³

Jadi, volume gas setelah dipanaskan adalah 4000 cm³ b) ^𝑃_𝑇¹ 1 =^𝑃2 𝑇₂ T2 = 360 K 6 300 ⁼ 𝑃₂ 360 𝑃₂ =^{6 × 360} 300 ^{= 7,2 𝑎𝑡𝑚}

34