BAB 4
BAB 4
Pemuaian Zat
Pemuaian Zat
(Expantion)
(Expantion)
Gambar 4.1 menunjukan sebuah jembatan yang sengaja Gambar 4.1 menunjukan sebuah jembatan yang sengaja dibuat dengan sambungan memiliki ruang (celah).Apa dibuat dengan sambungan memiliki ruang (celah).Apa tujuan adanya celah tersebut? Apa yang terjadi jika pada tujuan adanya celah tersebut? Apa yang terjadi jika pada sambungan jembatan tidak terdapat celah?. Nah, pada sambungan jembatan tidak terdapat celah?. Nah, pada bagian ini kita akan mempelajari konsep yang dapat bagian ini kita akan mempelajari konsep yang dapat menjawab kedua pertanyaan ini.
menjawab kedua pertanyaan ini.
4.1
4.1 Pengertian Pemuaian
Pengertian Pemuaian
Semua materi atas Zat (padat, cair dan gas) pada umumnya Semua materi atas Zat (padat, cair dan gas) pada umumnya memuai jika dipanaskan dan mengerut ketika didinginkan.
memuai jika dipanaskan dan mengerut ketika didinginkan.
Pemuain pada zat padat dan zat cair secara umum dapat Pemuain pada zat padat dan zat cair secara umum dapat diterangkan dengan menganggap ikatan antara diterangkan dengan menganggap ikatan antara molekul-molekulnya seperti ikatan sebuah pegas yang lentur.Ikatan pada molekulnya seperti ikatan sebuah pegas yang lentur.Ikatan pada molekul zat padat lebih kuat dari ikatan molekul-molekul pada molekul zat padat lebih kuat dari ikatan molekul-molekul pada zat cair.Molekul-molekul ini selalu bergetar pada suatu posisi zat cair.Molekul-molekul ini selalu bergetar pada suatu posisi keseimbangan. Ketika suhu zat dinaikkan, amplitudo getaran keseimbangan. Ketika suhu zat dinaikkan, amplitudo getaran
molekul-moleku bertambah besar sehingga jarak
molekul-moleku bertambah besar sehingga jarak
antarmolekulnya menjadi lebih besar, dengan kata lain ukuran antarmolekulnya menjadi lebih besar, dengan kata lain ukuran benda akan bertambah (
benda akan bertambah (memuaimemuai).).
“Pemuaian panas
“Pemuaian panas adalah perubahan suatu benda yang bisa adalah perubahan suatu benda yang bisa menjadi bertambahmenjadi bertambah panjang, panjang, lebar, lebar, luas,
luas, atau berubah atau berubah volumenya volumenya karena terkenakarena terkena panas panas (kalor)”.(kalor)”. Pertambahan ukuran benda memang tidak terlalu
Pertambahan ukuran benda memang tidak terlalu besar, namun dapat teramati besar, namun dapat teramati terutamaterutama ketika ukuran benda yang memuai cukup besar.
ketika ukuran benda yang memuai cukup besar.
Gambar 4.1: Jembatan dengan Gambar 4.1: Jembatan dengan sambungan yang memiliki celah. sambungan yang memiliki celah.
Gambar 4.2: Jarak antar moleku zat Gambar 4.2: Jarak antar moleku zat padat akan menjadi lebih besar ketika padat akan menjadi lebih besar ketika suhu dinaikkan
Benda Koefisien muai panjang (mm/m.K) Koefisien muai panjang (/K) Aluminum 0,0222 0,0000222 Kuningan 0,0187 0,0000187 Tembaga 0,0180 0,0000180 Beton 0,0145 0,0000145 Kaca, Pirex 0,0040 0,0000040 Keping kaca 0,0090 0,0000090 Emas 0,0142 0,0000142 Besi 0,0120 0,0000120 Porselen 0,0030 0,0000030 Perak 0,0195 0,0000195 Baja 0,0130 0,0000130 Seng 0,0297 0,0000297
4.1.1 Pemuaian Zat Padat
Pemuaian Panjang
Pada bagian ini, kita hanya memperhatikkan pemuaian dalam arah panjang saja. Pemuaian dalam arah lain kita abaikan (asumsi: batang kita anggap panjang sekali dan berpenampang kecil).
Untuk menyelidiki pemuian berbagai benda padat yang berbentuk batang kita juga dapat menggunakan
alat Musshenbroek . Seperti gambar di bawah ini! Cara menyelidiki pemuaian panjang zat padat dengan menggunakan alat ini adalah sebagai berikut:
1) Siapkan alat Musshenbroek , pembakar spiritus, kawat kasa, dan tiga batang logam dari bahan yang berbeda, misalkan perunggu, baja dan aluminum.
2) Pasanglah ketiga batang logam seperti ditunjukkan pada gambar 4.2, kemudian aturlah
jarum penunjuk skala sehingga menunjuk pada skala yang sama.
3) Panaskan logam dengan menyalakan pembakar spiritus. Amati gerak jarum penunjuk yang akan menunjukkan pertambahan panjang setiap batang logam.
Alat Musshenbroek pemuaian panjang setiap jenis logam
adalah berbeda walaupun
diberikan suhu awal yang sama dan panjang awalnya juga sama. Pada waktu kawat tembaga
dipanaskan, atom-atom
perunggu, baja dan
aluminum.bergetar lebih cepat dan lintasannya lebih panjang. Lintasan yang lebih panjang inilah yang membuat jarak antara atom-atom perunggu,
baja dan aluminum semakin jauh.hal inilah yang membuat perunggu, baja dan aluminum bertambah panjang.
Gambar 4.3: alat Musshenbroek yang digunkana untuk mengetahui pemuaian panjang zat padat
Ketika dipanaskan, setiap benda berbeda-beda pertambahan panjangnya. Aluminium sepanjang 1 m kalau dipanaskan sebanyak 10C (atau 1 K) akan bertambah panjang sebesar
0,022 mm. Tetapi kalau perunggu bertambah panjang sebesar 0,019 mm.
Karateristik pertambahan panjang benda ini dinyatakan dalam besaran yang dinamakan koefisien muai panjangyang mempunyai satuan mm/m.K, m/mK, atau biasa ditulis dalam 1/K . Jadi kalau kita katakan koefisien muai panjang aluminium 0,022 mm/m.K, itu artinya aluminium sepanjang 1 meter akan bertambah panjang 0,022 mm jika dinaikkan 1 K (10C).
Jadi, pemuaian panjang zat padat berbantung pada tiga faktor yaitu: (a) Panjang mula-mula (panjang sebelum dipanaskan), l 0
(b) Kenaikan suhu (perbedaan suhu), ΔT = T – T0
(c) Jenis bahan (yang dinyatakan dengan besaran koefisien muai panjang), α.
Dari gambar 4.4 kita peroleh bahwa panjang logam setelah dipanaskan menjadi
l = l 0+ Δl atau
(4.1)
Karena pemuaian panjang zat padat bergantung pada tiga faktor di atas maka secara matematis pertambahan panjang suatu zat ditulis sebagai
(4.2) Sehingga dari (4.1) dan (4.2) kita peroleh panjang akhir suatu zat setelah dipanaskan, yaitu:
l –l 0=l 0αΔT
(4.3)
Dengan l = panjang akhir (m), l 0 = panjang mula-mula (m), ΔT = perubahan suhu (0C atau K) dan α = koefisien muai panjang (1/0C atau mm/m0C atau mm/mK).
Contoh 4.1;
Aluminium yang mempunyai koefisien muai panjang 0,0222 mm/m.K. Hitung pertambahan panjang zat itu (∆L) jika aluminium dinaikkan suhuya sebanyak30 K! Panjang zat mula-mulanya adalah 2 m. Hitung juga panjang aluminium sekarang!
∆ = −
Gambar 4.4: Pertambahan panjang sebatang logam
∆ =
Jawab:
Koefisien muai panjang zat 0,0222 mm/m.K artinya untuk kenaikkan suhu sebanyak 1 K aluminium sepanjang 1 m akan bertambah panjang sebesar0,0222 mm. Untuk kenaikan 30 K, batang 1 meter akan bertambah panjang 0,0222 x 30 =0,666 mm.
Karena panjang batang mula-mula 2 m, maka pertambahan panjangnya adalah 2 x 0,666 =
1,332 mm. Panjang aluminium setelah dipanaskan menjadi 1,332 mm + 2 m = 2,001332 m
Coba kerjakan dengan menggunakan rumus (4.2) dan (4.3). Pemuaian Luas
Selain pemuaian panjang, ada juga pemuaian suatu zat yang memiliki panjang dan lebar yang disebut pemuaian luas.Pemuaian ini terjadi bukan pada panjang zat itu saja tetapi juga pada lebarnya.Dapat dikatakan bahwa luas suatu zat bertambah jika dipanaskan.
Karateristik pertambahan luas benda ini dinyatakan dalam besaran yang namanya koefisien muai luas yang mempunyai satuan mm2/m2.K. Jadi, kalau kita katakan koefisien muai luas
tembaga 36 mm2/m2, artinya tembaga seluas 1 m2 luasnya akan bertambah sebesar 36 mm2
jika suhunya dinaikkan 1 K (atau 10C).
Gambar 4.5 menunjukkan pemuaian suatu zat yang berbentuk keping (luasan), kitaakan peroleh hubungan seperti (4.2) dan (4.3) yaitu
(4.5)
Dengan = koefisien muai luas (mm2/m2K atau 1/K), ΔA = pertambahan
luas (m2), A
0 = luas mula-mula (m2), dan A = luas akhir (m2).
Untuk koefisien muai luas () tidak dapat diperoleh secara langsung dari eksperimen. Untuk memperoleh nilai koefisien muai luas kita memiliki hubungan
(4.7)
Contoh 4.2;
Luas sebuah lempeng besi pada suhu 200C aalah 80 cm2.Bila koefisen muai panjang besi 0,012
mm/m0C, berapakah luasnya pada suhu 600C?
Jawab:
Koefisien muai luas lempeng besi 2 x 0,012 = 0,024 mm2/m2..0C, artinya lempeng besi seluas 1
m2akan bertambah luas sebesar 0,024 mm2 ketika dipanaskan sebanyak 10C. Jika dipanaskan
sebanyak 600C – 200C = 400C, lempeng seluas 1 m2 akan bertambah luas 0,024 x40 = 0,96 mm2.
∆ = = ( + )
Gambar 4.5:
Pertambahan luas keping persegi panjang ketika dipanasi.
=
Karena lempeng besi mula-mula80 cm2 maka lempeng akan bertambah luas 80 x 0,96 = 76,8
mm2. Jadi luas lempeng besi tersebut pada suhu 600C menjadi 80cm2 + 76,8 mm2 =80,768cm2.
Pemuaian Volume
Jika suatu zat padat yang kita panasi berbentuk kubus, balok atau bola, yang kita perhatikan adalah pemuaian volumnya.Perhatikan gambar 4.6. Volume balok akan bertambah seiring dengan adanya kenaikan suhu sebesar ΔT . Kita akan peroleh hubungan seperti seperti sebelumnya yai
(4
–
8) (4–
9)Dengan Υ= koefisien muai volume (mm3/m3K atau 1/K), ΔV =
pertambahan volume (m3), V
0 = volume mula-mula (m3), dan V = volume
akhir (m3).
Untuk koefisien muai luas (Υ) tidak dapat diperoleh secara langsung dari eksperimen. Untuk memperoleh nilai koefisien muai luas kita memiliki hubungan
(4 – 10)
Contoh 4.3;
Volume sebuah balok perunggu pada suhu 400C adalah 125 cm3.Bila koefisien muai panjang
perunggu 0,019 mm3/m3K. Berapakah volume perunggu tersebut pada suhu 600C?
Jawab:
Koefisien muai volum perunggu 3 x 0,019 = 0,057 mm3/m3.K, artinya belok perunggu dengan
volume 1 m3 akan bertambah volumnya sebesar 0,57 mm3 ketika dipanaskan sebanyak 1 K. Jika
dipanaskan sebanyak 600C – 400C = 200C = 20 K, balok perunggu 1 m3 akan bertambah volum
0,057 x 20 = 1,14 mm3. Karena volum mula-mula 125 cm3 maka balok akan bertambah volum
125 x 1,14 = 142,5 mm3. Jadi volume balok perunggu tersebut pada suhu 600C menjadi 125 cm3
+ 142,5 mm3 =125,1425 cm3.
∆ = = ( + )
Gambar 4.6:
Pertambahan volume sebuah balok ketika dipanasi.
Quiz 4.1
1. Panjang sebatang aluminium pada suhu 200C adalah 1 meter. Berapakah
panjangnya pada suhu 1200C? Jika
koefisien muai panjang aluminium 0,000 0024/0C.
2. Panjang sebatang rel kereta api yang terbuat dari baja pada suhu 200C adalah
25 meter. Berapakah pertambahan panjang rel bila suhunya naik menjadi 300C? koefisien muai panjang baja 0,000
012/0C.!
3. Sebatang kaca yang panjangnya 2 meter pada suhu 1000C. Batang kaca memuai
sebesar 0,72 mm jika dipanaskan sampai suhu 900C. Berapakah koefisien muai
panjang kaca?
4. Volume lempeng besi pada suhu 200C
adalah 250 cm3. Bila koefisien muai
panjang besi 0,000 012/0C, berapakah
volumenya pada suhu 400C?
5. Volume panci aluminium pada suhu 270C
adalah 1 liter. Berapakah volume panci tersebut pada suhu 1000C? Jika koefisien
muai panjang aluminium 0,000 024/0C.
4.1.2 Pemuaian Zat Cair
Cairan, gas dan juga zat padat akan memuai volumenya jika dipanaskan. Pemuaian zat padat lebih kecil dibandingkan pemuaian zat cairan karena zat padat, molekul-molekulnya lebih sult betgerak dibandingkan molekul zat cair.Ketika dipanaskan, pergerakan molekul-molekul zat padat tidak terlalu jauh dibandingkan pergerakkan molekul-molekul zat cair.Itu sebabnya pemuaian volume zat padat lebih kecil dibandingkan dengan zat cair.
Anomali Air
Ada beberapa benda tidak selalu memuai jika dipanaskan.Tetapi, ada keanehan dengan air.Dari 00C sampai 40C, volume air terus menyusut ketika dipanaskan. Karena volume menyusut, massa
jenisnya (massa per satuan volume) tentu bertambah. Dari 40C sampai 1000C voume air
memuai ketika dipanaskan. Karena volume memuai, maka massa jenisnya akan berkurang. Jadi, air mempunyai massa jenis terbesar pada suhu suhu 40C. Sifat pemuaian yang aneh ini
Tabel 4.2 menunjukkan massa jenis air pada suhu-suhu tertentu. sedangkan grafik dibawah menunjukkan massa jenis air sebagai fungsi suhu.
PENYEBAB ANOMALI AIR
Es mempunyai struktur berbeda dengan air.Es mempunyai rongga-rongga di antara molekul-molekulnya.Rongga ini yang membuat volume es ebih besar dari volume air.
Pada suhu 00C, es mulai meleleh, strukturnya mulai runtuh.Volume air yang terjadi lebih kecil
dari volume es mula-mula.Namun, pada suhu 00C itu belum semua struktur es runtuh. Seluruh
stuktur es runtuh ketika suhu 40C akibat runtuhnya struktur-struktur es ini, volume air akan
terus menyusut ketika dipanaskan dari 00C samapi suhu 40C. pemuaian memang ada tetapi
reruntuhan struktur es lebih dominan. Pada suhu 40C ke atas, molekul-molekul air bergerak
lebih cepat.Di sini pemuaian memegang peranan penting. Itu sebabnya volume air akan terus bertambah ketika dipanaskan dari suhu 40C ke atas.
Adanya anomali air ini dapat menjelaskan mengapa di musim dingin air di permukaan danau membeku sedangkan jauh di dasar danau
air tidak membeku sehingga ikan-ikan dapat tetap hidup.
Ketika musim dingin tiba, suhu udara
menjadi dingin. Udara akan
mendinginkan air di permukaan danau. Karena massa jenis air hanyat lebih besar dari air dingin maka air hangat yang berada di permukaan akan turun sehingga pada permukaan tersisa air
Suhu (0C) Massa jenis air murni ( g/cm3)
0 (Padat) 0,9150 0 (cair) 0,9999 4 1,0000 20 0,9982 40 0,9922 60 0,9832 80 0,9718 100 (gas) 0,0006
Tabel 4.2: massa jenis air pada berbagai kondisi suhu 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 4 2 6 8 Suhu (0C) g/cm3 40C SUHU
Grafik 4.1: (a) hubungan antara massa jenis air dan suhu, (b) hubungan antara volume air dan suhu
yang dingin. Karena udara semakin dingin, air di permukaan danau suhunya turun. Kali ini air yang lebih dingin akan tetap berada di permukaan karena massa jenisnya lebih kecil dibandingkan dengan massa jenis air 40C. Air di permukaan ini semakin lama semakin dingin
lalu membeku tetapi air di sekitar dasar danau tetap 40C.
4.1.3 Pemuaian Zat Gas
Pada dasarnya semua gas akan memuai jika suhunya bertambah (dinaikkan/dipanaskan), artinya gas akan mengalami perubahan volume. Keadaan gas bisanya dicirikan dengan 3 besaran yaitu tekanan (P), volume (V ) dan suhu (T ). Pemanasan pada gas dapat dilakukan pada kondisi
(1) tekanan tetap, (2) suhu tetap, dan (3) volume tetap dan
(4) tekanan dan volume tidak tetap.
Pada bagian ini kita hanya membicarakan pemuaian gas pada poin (1), sedangkan yang lainnya akan dibicarakan pada tingkat SMA.
Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap
Seperti yang kita sudah pelajari sebelumnya bahwa bentuk gas selalu berubah-ubah artinya volume gas berdasarkan ruang yang ditempatinya.
Pada tekanan tetap, gas akan memuai (volume gas yang bertambah). Pemuaian volume gas ini tentu sama dengan pemuaian volume pada zat padat namun koefisien muai volume zat padat tidak sama dengan koefisien muai volume pada zat gas.
Menurut perhitungan Gay Lussac besarnya koefisien muai volume untuk zat gas adalah sebesar
1 73 m
3/m3.0C atau sebesar 0,003663 m3/m3.0C (0,003663 m3/m3.K) artinya, jika suatu gas yang
volumenya 1 m3 suhunya dinaikkan sebesar 10C maka volumenya akan bertambah sebesar
0,003663 m3.Makapersamaan (4.9) ditulis menjadi,
(4.11)
Contoh 4.3;
Sebuah gas pada tekanan tetap pada suhu 00C memiliki volume 12 m3.Berapakah volume gas
tersebut pada suhu 5460C?
= ( +
Jawab:
Menurut Gay Lussac koefisien muai volum suatu gas adalah 0,003663 m3/m3.0C artinya, jika
suatu gas yang volumenya 1 m3 suhunya dinaikkan sebesar 10C maka volumenya akan
bertambah sebesar 0,003663 m3.
Jika volume gas 12 m3 dipanaskan hingga suhunya naik 10C, maka volumenya bertambah 12 x
0,003663 = 0,043956 m3.
Jika volume gas 12 m3 dipanaskan hingga suhunya naik 5460C, maka volumenya berambah
0,043956 x 546 = 23,999976 ≈ 24 m3.
Jadi volume gas tersebut pada suhu 5460C adalah sebesar 12 + 24 = 36 m3.
4.2. Pemuaian dalam Kehidupan
Prinsip pemuaian zat banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut ini adalah beberapa contoh penerapannya:
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.
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.
Gambar 4.9: Pemasangan kaca jendela harus memiliki ruang untuk mengantisipasi adanya pemuaian pada kaca.
Gambar 4.10: Pemasangan rel kereta apa selalu diberi celah.
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.
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.
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.
Gambar 4.11: Roda pedati dibuat sedikit lebih kecil daripada tempatnya sehingga tidak dimungkinkan untuk dipasang secara langsung pada tempatnya
Gambar 4.12: Kabel-kabel listrik yang sengaja dipasang kendor.
Gambar 4.13: Keping bimetal yang dikeling menjadi satu.
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.
Termometer Bimetal
Termometer bimetal terbuat dari bimetal berbentuk lingkaran.Ujung A diikat pada kaki bimetal, sedangkan ujung B diikat pada jarum yang dapat berputar pada poros C (gambar di samping).Koefisien muai logam bagian luar lebih besar daripada koefisien muai logam bagian dalam. Bila suhu naik, maka bimetal akan melengkung sehingga ujung B mendekati ujung A dan jarum berputar ke kanan. Sebaliknya, bila suhu turun maka bimetal akan sedikit lurus sehingga
menggerakkan jarum ke kiri.
(a) (b)
Thermostat
Thermostat digunakan untuk mempertahankan suhu ruangan supaya tetap.Thermostat terdiri dari sebuah batang bimetal berbentuk lingkaran seperti pada thermometer bimetal.Salah satu ujung bimetal dijepit, sedangkan ujung yang lain bebas (gambar di samping). Ujung bimetal yang bebas dilekatkan pada jarum yang dapat bergerak maju mundur antara kontak listrIK A dan B.
Bila suhu ruangan naik, maka bimetal bertambah melengkung sehingga jarum menyentuh kontak A. hal ini menyebabkan aliran listrik terputus. Karena listrik terputus maka panas bimetal berkurang. Bila suhu sudah turun, bimetal akan lebih lurus sehingga jarum bergerak ke kanan menyentuh kontak B. Akibatnya, aliran listrik terbuka lagi sehingga suhu ruangan naik, dan seterusnya. Dengan cara demikian, maka suhu ruangan dapat dipertahankan.
Gambar 4.14: (a) Sebuah termometer bimetal dan (b) Ujung A diikat pada kaki bimetal, sedangkan ujung B diikat pada jarum yang dapat berputar pada poros C.
Gambar 4.15: Sebuah rangkaian termostat.
Saklar Otomatis
Bimetal yang memiliki cara kerja seperti thermostat banyak digunakan sebagai sakelar otomatis. Sakelar otomatis berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan aliran listrik secara otomatis bila telah mencapau suhu tertentu.contohnya pada alarm kebakaran. Ketika terjadi kebakaran, suhu bimetal naik sehingga melengkung dan menghubungkan arus listrik. Arus listrik akan menghidupkan alarm sehingga berbunyi.
Lampu Sein
Lampu tanda arah (sein) mobil atau motor bisa menyala kelap-kelip (menyala-padam) karena terpisah atau terhubung dengan kontak yang disebabkan oleh gerakan keping bimetal seperti gambar rangkaian di bawah ini. Pada saat saklar ditutup, arus listrik yang sangat kecil mengalir dari baterai melalui lampu dan kumparan pemanas yang dililitkan mengitari keping bimetal.Arus listrik ini sangat kecil sehingga tidak dapat menyalahkan lampu, tetapi arus listrik ini mampu memanasi keeping.Keping memuai dan melengkung ke atas sehingga kontak saling menyentuh.Pada saat kontak saling menyentuh, arus listrik dari baterai berhenti mengalir melalui kumparan, tetapi mengambil jalan yang hambatannya lebih kecil, yaitu melalui keeping bimetal.Selanjutnya, keeping menghubungkan arus listrik dari baterai langsung ke lampu sehingga dihasilkan arus yang cukup besar untuk menyalahkan lampu.Dengan terputusnya arus dalam kumparan pemanas, keeping bimetal mendingin dan lurus kembali sehingga kontak saling terpisah.Akibatnya, arus listrik kembali mengalir dari baterai melalui kumparan, dan lampu padam.
Jadi, fungsi keping bimetal adalah memisahkan dan menghubungkan kontak sehingga menghasilkan lampu tanda arah yang menyala dan padam.Untuk mematikan lampu tanda arah tersebut, sakelar harus ditutup.
Gambar 4.16: Sebuah rangkaian termostat.
Gambar 4.17: Penggunaan keping bimetal pada lampu sein atau lampu arah mobil.
Tukang Gigi
Bahan penambal gigi harus mempunyai koefisien muai panjang gigi.Kalau tidak, ketika kita menyantap sup panas, penmbal tersebut dapat merusak gigi (kalau koefisien muai panjangnya terlalu besar) atau terlepas (kalau koefisien muai panjangnya terlalu kecil).
Quiz 4.2
1. Pemanasan yang tidak merata sering tejadi keretakan pada benda padat, mengapa demikian?
2. Pada jembatan biasanya dipasang bantalan roda atau diberi celah secukupnya, mengapa demikian?
3. Apa yang terjadi jika botol tertutup yang berisi air penuh dimasukkan ke dalam kulkas?
4. Mengapa gas tidak mengalami pertambahan panjang? Jelaskan!
5. Sebutkan beberapa kegunaan bimetal!
6. Mengapa ban baja lokomotif harus dipanaskan terlebih dahulu sebelum rodanya dipanaskan?
7. Sebuah gas pada tekanan tetap pada suhu 00C memiliki volume 13m3.
Berapakah volume gas tersebut pada suhu 8960C?
8. Apa yang terjadi jika sejumlah gas dalam suatu wadah dipanaskan, tetapi tidak diperbolehkan untuk memuai?
Ujian Kompetensi Bab 4
I. Pilihan GandaPilihlah jawaban yang kamu anggap paling tepat!
1. Bila suhu dinaikkan benda umumnya…. a. Memuai c. Tetap b. Menyusut d. Bergetar
2. Zat yang memuai paling besar jika suhunya memuai 10C adalah…
a. Zat cair b. Jenis bahan c. Zat padat d. Volume bahan
3. Hasil percobaan dengan menggunakan alat Musschenbroek adalah….
a. Pertambahan panjang logam sama besar
b. Pertambahan panjang logam berbeda c. Logam yang panjang memuai lebih
besar
d. Logam yang kecil memuai lebih besar
4. Sebatang besi yang mengalami kenaikan suhu, maka…
a. Massa jenisnya bertambah b. Massanya bertambah c. Volumenya bertambah d. Gerak partikelnya lambat
5. Besi yang mempunyai massa jenis 7,86 g/cm3dipanaskan, maka massa jenisnya…
a. Lebih dari 7,86 g/cm3
b. Kurang dari 7,86 g/cm3
c. Tetap 7,86 g/cm3
d. Tidak dapat ditentukan
6. Faktor yang mempengaruhi muai panjang adalah kacuali…
a. Panjang awal sebelum dipanaskan b. Jenis bahan
c. Kenaikan suhu/temperatur d. Panjang sesudah dipanaskan
7. Makin lemah gaya tarik menarik antar partikel zat, maka …
a. Makin besar koefisien muai panjang zat
b. Makin kecil koefisien muai panjang zat
c. Koefisien muai panjang berubah-ubah d. Koefisien muai panjang zat tidak dipengaruhi oleh gaya tarik-menarik antar partikel
8. Perhatikan gambar susunan dua buah gelas kaca yang macet tidak bisa dibuka! Agar mudah dilepas cara yang bisa dilakukan adalah….
a. Gelas P diisi air panas
b. Gelas Q direndam dalam air panas. c. Kedua gelas sama-sama dipanaskan. d. Kedua gelas sama-sama didinginkan
9. Memuai atau menyusut suatu zat dipengaruhi oleh…
a. Partikel zat tersebut membesar atau mengecil
b. Partikel zat tersebut bergetar cepat tanpa berpindah
c. Partikel zat tersebut diam
d. Jarak antar partikel zat tersebut membesar atau mengecil
10. Perhatikan gambar berikut! Bimetal terdiri logam P dan logam Q dipanaskan. .
Kesimpulan yang bisa diambil adalah… a. koefisien muai P sama dengan Q b. koefisien muai P lebih besar dari Q c. koefisien muai P lebih kecil dari Q d. koefisien muai P bisa lebih besar atau
lebih kecil dari Q
11. Pada suatu percobaan, dua bimetal I dan II tersusun oleh tiga jenis logam 1, 2, 3 dengan koefisien muai panjang berturut-turut α1, α2, α3.
Ketika dipanaskan kedua bimetal melengkung dengan arah tampak seperti gambar. Berdasarkan data tersebut kesimpulan yang benar adalah.... .
a. α1> α2> α3
b. α1< α2< α3
c. α1> α2< α3
d. α1< α2> α3
12. Musshenbroek adalah alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian….
a. Zat padat c. zat gas b. Zat cait d. a, b, c benar
13. Makin kuat gaya tarik menarik antar partikel zat maka….
a. Makin besar koefisien muai panjang zat
b. Makin kecil koefisien muai panjang zat
c. Koefisien muai panjang zat berubah-ubah
d. Koefisien muai panjang tidak dipengaruhi gaya tarik antar partikel.
14. Pada umumnya suatu zat akan memuai jika, mengalami kenaikkan suhu, kecuali… a. Minyak dari 00C sampai 40C
b. Gas dari 00C sampai 2730C
c. Air dari 00C sampai 40C
d. Aluminium dari 00C sampai 1800C
15. Kaca yang tahan terhadap perubahan suhu yang mendadak adalah…
a. Memiliki koefisien muai yang besar b. Memiliki koefisien muai yang kecil c. Lapisan kaca dibuat tebal
d. Warna kaca kusam
16. Kawat baja panjangnya 3 m mengalami kenaikkan suhu 100C, koefisien muai
panjang baja 0,000 011/0C, maka panjang
baja setelah memuai adalah… a. 0,033 mm
b. 2000,033 mm c. 0,033 mm d. 2000,33 mm
17. Berikut merupakan pemakain konsep pemuaian dalam kehidupan sehari-hari, kecuali…
a. Penggunaan kayu sebagai pegangan setrika.
b. Pemasangan bingkai besi pada pedati c. Pemasangan kaca jendela
d. Penggunaan bimetal pada termometer
18. Nilai koefisien muai volume gas adalah… a. 0,03663/0C
b. 0,3663/0C
c. 0,003663/0C
d. 0,0003663/0C
19. Terpentin mempunyai koefisien muai volum sebesar 0,00105/K, dipanaskan sebesar 1 K maka sebanyak 1 m3
terpentin akan bertambah volumenya sebesar…
a. 0,0105 m3 c. 0,105 m3
b. 0,00105 m3 d. 0,000105 m3
20. Pembengkokan bimetal dapat dimanfaatkan untuk…
a. Alat pengukur suhu b. Alarm kebakaran
c. Alat perangkap tikus dan serangga d. Saklar otomatis kendaraan
21. Suatu logam bimetal yang mengalami penurunan temperatur akan…
a. Membengkok ke arah logam yang koefisien muainya lebih besar
b. Membengkok ke arah logam yang koefisien muainya lebih kecil
c. Tidak membengkok
d. Memuai dan membengkok ke arah satu logam
22. Gelas yang tebal akan pecah jika dituangi air mendidih kerana…
a. Gelas memuai secara merata b. Gelas tidak tahan panas
c. Bagian daam gelas memuai lebih cepat daripada bagian luar
d. Bagian luar gelas menyusut dan bagian dalam gelas memuai
23. Seutas kawat baja mempunyai panjang 100 cm pada suhu 300C. Jika panjang baja
setelah memuai adalah 100,1 cm, dan koefisien muai panjang baja 0,00001/0C,
maka besar suhu baja setelah memuai adalah…
a. 1000C c. 1200C
b. 1100C d. 1300C
24. Pada tekanan tetap, volume gas pada suhu 30 K adalah 10 liter, volum gas pada suhu 576 K adalah…
a. 7 liter c. 20 liter b. 13 liter d. 30 liter
25. Jika adalah koefisien muai panjang dan adalah koefisien muai volume. Maka yang benar di bawah ini adalah…
a. = 3 c. = 3 b. = 2 d. = 2
II. Soal Esai
Kerjakan soal-soal berikut sebagai latihan!
A. Pemuaian Zat
1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan pemuaian zat!
2. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi pemuaian panjang zat padat!
3. Sebuah gelas diisi penuh dengan air. Sepotong es dimasukkan dan sejumlah air tumpah dari gelas. Jelaskan mengapa ketika es tersebut melebur air tidak kembali tumpah dari gelas?
4. Sebuah ban mobil dipompa pada pagi hari. Alat pengukur tekanan menunjukkan angka 35. Setelah mobil
diparkir di terik matahari, tekanan ban diukur lagi. apakah angka tersebut bertambah atau berkurang?
5. Mengapa udara hangat dapat naik ke atas? Jelaskan alasanmu!
6. (a) Jelaskan tentang anomaly air! (b) Jelaskan mengapa massa jenis air
paling besar pada suhu 40C?
7. Panjang sebatang aluminium pada suhu 300C adalah 2,0 m. berapakah panjangnya
pada suhu 1100C, jika diketahui koefisien
muai panjang aluminium 0,024 mm/m0C.
8. Sebatang kaca yang panjangnya 1 meter pada suhu 1000C. batang kaca memuai
sebesar 0,72 mm jika dipanaskan sampai 1900C. Berapa koefisien muai panjang
batang kaca tersebut.
9. Sejumlah gas oksigen dipanaskan dari suhu 150C hingga 750C. hitung
pertambahan volumenya jika volumenya jika volume mula-mula gas tersebut 2 liter! Anggap tekanan gas konstan.
10. Sebuah silinder gelas yang isinya pada 00C sama dengan 2 liter, diisi penuh
dengan alkohol. Jika gelas tersebut beserta isinya dipanaskan sampai 400C,
hitunglah: (a) volume silinder gelas, (b) volume alkohol, dan (c) volume alkohol yang tumpah. (koefisien muai panjang gelas 9 x 10-6/ 0C dan koefisien muai
volum alkohol 0,001/0C).
B. Pemuaian dalam Kehidupan
11. Jelaskan prinsip kerja termometer bimetal!
12. Pada persambungan rel kereta api selalu terdapat celah. Apakah lebar celah ini selalu sama antara siang dan malam hari? Jelaskan!
13. Apa yang terjadi bila kaca jendela dipasang ketak pada bingkainya?
14. Apa yang terjadi bila keping bimetal didinginkan? Jelaskan!
15.Ketika
kitamenurunkansuhudariATbatang,
hubungan antara panjangakhir daribatangmenjadi; L1<L2<L3.
1. Sepasang kerangka kaca mata, terbuat dari bahan plastik yang memiliki koefisien muai panjang 1,3 x 10-4/0C. Lubang tempat lensanya berbentuk lingkaran dengan jari-jari 2,2
cm. Agar lubang tempat lensa itu dapat dipasang lensa berjari-jari 2,21 cm, kerangka kacamat tersebut harus dipanaskan sampai mengalami perubahan suhu sebesar….?
2. Sebuah batang logam panjangnya 1 meter. Salah satu ujungnya dipanaskan pada suhu tetap 1500C.
Sementara ujung yang lain dipertahankan pada suhu ruang 300C. Tentukan berapa temperatur batang
yang berjarak 30 cm dari ujung yang dipanaskan.
3. Sebatang logam dengan koefisien muai panjang α, mempunyai panjang l pada suhu 250C. Jika dipanaskan
menjadi 300C mengalami pertambahan panjang sebesar ∆l, jika logam tersebut dipotong 1/3 panjang
semula, maka pertambahan panjangnya untuk dipanaskan sampai suhunya menjadi 350C adalah…?
4. Buktikan persamaan (4.7) dan (4.10) secara matematis!
5. Pada temperatur 200C panjang sebuah batang aluminium 200 cm, jika dipanaskan sampai temperatur
1000C, panjangnya bertambah 0,00384 m. Jika pada temperatur 200C terdapat sebuah bola terbuat bahan
aluminium yang sama. Agar volume bola itu bertambah 1% dari volume semula. Bola tersebut dipanaskan hingga temperatur….?
6. Cincin pipih yang terbuat dari besi di atas memiliki jari-jari dalam r 0 = 2
cm dan jari-jari luar R0 = 3 cm. Cincin tersebut bersuhu 300 K. Jika muai
panjang besi = 0,000 012/0C dan besi tersebut dipanaskan hingga
bersuhu 400 K, berapakah: (a) luas mula-mula cincin itu, (b) panjang jari-jari dalam r , (c) panjang jari-jari luar R, dan (d) luas cincin itu.
7. Grafikpanjangterhadap grafiksuhuA, Bdan Cdiberikan di bawah ini. Carihubungan antaraαA, αBdanαC.
