Modul 08 - Ekspansi Termal Benda Padat

(1)

Modul 08 Ekspansi Termal Benda Padat

Laboratorium Pengajaran Fisika

Halaman |1 FI5181 – Praktikum Fisika

2022/2023

Program Studi Magister Pengajaran Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung

MODUL 08

EKSPANSI TERMAL BENDA PADAT

A. TUJUAN

1. Mengukur ekspansi termal linier tabung kuningan sebagai fungsi dari panjang keseluruhan.

2. Mengukur ekspansi termal linier tabung kaca, baja dan kuningan serta menentukan koefisien.ekspansi liniernya

B. ALAT DAN BAHAN 1. 1 buah alat ekspansi

2. 1 buah holder untuk dial gauge 3. 1 buah dial gauge

4. 1 buah steam generator, 550W/230V

5. 1 buah silicone tube, diameter 7 x 1,5 mm, 1 m 6. 1 buah petri dish, 150 x 25 mm

7. 1 buah thermometer -10⁰ to +110⁰ C C. TEORI DASAR

Panjang 𝑠 benda padat bergantung secara linier pada suhu 𝜃:

𝑠 = 𝑠₀ (1 − 𝛼. 𝜃) (1)

dengan 𝑠₀ merupakan panjang pada 0^oC dan 𝜃 adalah temperatur dalam Celsius.

Koefisien ekspansi linier 𝛼 ditentukan oleh bahan benda padat. Untuk perbedaan suhu yang diberikan antara suhu kamar 𝜃₁ dan suhu uap 𝜃₂, perubahan panjang Δ𝑠 berbanding lurus dengan panjang keseluruhan 𝑠₁ pada suhu kamar:

Δ𝑠 ∝ 𝑠₁ (2)

Secara khusus dapat kita tuliskan 𝛼 =Δ𝑠

𝑠₁ . 1

𝜃₂− 𝜃₁ (3)

Dalam percobaan ini, pengukuran ekspansi termal dilakukan pada tabung tipis yang melaluinya uap dialirkan. Panjang efektif 𝑠₁ dari setiap tabung dapat diatur sebagai 200, 400 atau 600 mm dengan memasangnya dengan cara yang sesuai. Dial gauge dengan skala graduasi 0,01 mm digunakan untuk mengukur perubahan panjang.

Gambar 1. Ilustrasi eksperimen eskpansi termal benda padat.

(2)

2022/2023

D. TUGAS PENDAHULUAN

1. Jelaskan apa yang dimaksud ekspansi termal linier?

2. Apa yang dimaksud koefisien ekspansi termal?

3. Sebutkan apa saja faktor pendukung terjadinya ekspansi termal pada benda padat!

Jelaskan dan berikan contoh kasusnya!

4. Apa yang memmbedakan ekspansi pada benda padat, cair dan gas? Jelaskan!

5. Apa saja yang harus diperhatikan sebelum melakukan eksperimen kali ini?

6. Dapatkan referensi nilai koefisien ekspansi linear untuk kuningan, baja dan kaca!

7. Data apa saja yang akan kita peroleh pada percobaan kali ini?

8. Buat flowchat yang dapat mendeskripsikan percobaan modul ini dengan sederhana!

E. PROSEDUR PERCOBAAN

Gambar 2. Setup eksperimen untuk mengukur ekspansi termal linear dengan alat ekspansi.

• Prosedur Keselamatan

1. Bahaya panas jika generator uap digunakan secara tidak benar.

2. Pastikan untuk membaca Lembar Instruksi untuk pembangkit uap sebelum menggunakan peralatan ini.

• Persiapan Awal

Atur percobaan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2.

1. Sekrup pada dudukan dial gauge (e) (lihat Lembar Instruksi untuk peralatan ekspansi) dan klem dial gauge pada tempatnya.

2. Pasang bantalan tetap (a) peralatan ekspansi pada tanda 600 dan geser ujung terbuka tabung kuningan ke bantalan tetap.

3. Geser ujung tabung kuningan yang tertutup ke dalam fitting pemandu (b) sehingga puting selang (f) mengarah ke samping ke bawah.

(3)

2022/2023

4. Kencangkan sekrup untuk memasang tabung kuningan pada bantalan tetap (sekrup harus mengikat alur cincin tabung).

5. Masukkan bagian ekstensi (c) (lihat Lembar Instruksi untuk dial gauge).

6. Potong pipa silikon sepanjang 20 cm, geser bagiannya di atas puting selang (f) dan letakkan cawan Petri di bawahnya untuk menangkap kondensasi.

7. Gunakan bagian tabung panjang untuk menghubungkan ujung terbuka tabung kuningan ke pembangkit uap.

• Langkah Percobaan

1. Tentukan suhu kamar 𝜃₁ dan tuliskan ini.

2. Baca dan tuliskan posisi nol dial gauge.

3. Isi generator uap dengan air sekitar 2 cm, tutup peralatan dan colokkan.

4. Baca dan tuliskan defleksi pointer maksimum dari dial gauge.

5. Biarkan tabung kuningan mendingin hingga mencapai suhu kamar.

6. Pasang bantalan tetap alat ekspansi pada tanda 400 dan kencangkan sekrup sehingga mengikat alur cincin tabung.

7. Isi ulang pembangkit uap dengan air, periksa posisi nol dial gauge dan ulangi pengukuran.

8. Pindahkan bantalan tetap ke tanda 200 dan ulangi percobaan.

9. Ganti tabung kuningan dengan tabung baja; pasang bantalan tetap pada tanda 600 dan ulangi pengukuran.

10. Lakukan pengukuran yang sama pada tabung gelas.

F. TUGAS LAPORAN

1. Catat suhu awal dan suhu akhir ketika percobaan dilakukan.

2. Tabulasikan data hasil percobaan pada tabel berikut.

Tabel 1. Ekspansi linier Δ𝑠 antara suhu kamar 𝜃₁ dan suhu uap 𝜃₂ sebagai fungsi dari panjang efektif bahan 𝑠₁

Material 𝒔_𝟏/𝒎𝒎 𝚫𝐬/𝒎𝒎

Kuningan 600

Kuningan 400

Kuningan 200

Kaca 600

Kaca 400

Kaca 200

Baja 600

Baja 400

Baja 200

(4)

2022/2023

3. Hitung Δ𝜃 pada percobaan.

4. Plot grafik perubahan Δ𝑠 dari kuningan, kaca dan baja sebagai fungsi dari perubahan panjang 𝑠.

5. Lakukan perhitungan koefisien ekspansi untuk material yang berbeda. Lalu bandingkan dengan referensinya.

Material 𝒔𝟏/𝒎𝒎 Pengukuran Referensi Error(%) Kuningan 600

Besi 600

Kaca 600

G. ANALISIS

1. Lakukan tabulasi data pengukuran untuk ketiga jenis material bahan. Apa yang terjadi pada nilai ekspansi linear hasil eksperimen?

2. Buat grafik dari ekspansi linear dengan nilai panjangnya. Apa yang terjadi pada grafik ketiga material yang diamati?

3. Bagaimana cara memperoleh nilai koefisien ekspansi linear? Jelaskan!

4. Apa kaitan antara koefisien ekspansi linear dengan ekspansi linear?

5. Sebutkan faktor apa saja yang mempengaruhi nilai ekspansi termal dan koefisien ekspansi linear?

6. Apakah nilai yang diperoleh secara eksperimen sama dengan nilai referensi yang diberikan? Jika berbeda mengapa dan jika sama mengapa?

7. Jelaskan faktor apa saja yang memengaruhi nilai galat dari eksperimen yang dilakukan pada modul kali ini!

H. PUSTAKA

1. Mark W. Zemansky dan Richard H. Dittman. 1968., Heat And Thermodynamic.

America: McGraw-Hill Book.

2. Moran J., Shapiro N. M.,2006, Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5th Ed. UK : John Wiley and Sons.

3. Halliday dan Resnick., 1991, Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga