Pemuaian Zat Padat

Pemuaian zat padat dapat ditinjau dari pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. Pemuaian zat padat terjadi karena bedan padat tersebut mengalami perubahan suhu dari suhu rendah ke tinggi.  Besarnya pemuaian zat padat tergantung dari koefisien muai dari benda padat tersebut.

Pemuaian Zat Padat

Hampir semua zat padat akan memuai jika dipanaskan. Setiap benda padat yang dipanaskan akan mengalami pemuaian panjang, pemuaian luas dan pemuaian volume. Pemuaian itu dapat berupa bertambah panjang (linear), bertambah luas, atau bertambah volumenya. Hal ini karena partikel-partikel benda akan bergerak lebih cepat jika suhunya dinaikkan. Karena gerakan inilah partikel membutuhkan ruang yang lebih luas untuk bergerak. Akibatnya, volume zat padat tersebut bertambah besar.

Jenis Pemuaian Pada Zat Padat

Muai Panjang / Muai Linear Zat Padat

Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan alat Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat Musschenbroek dipanaskan maka batang logam akan bertambah panjang. Namun, pertambahan panjang batang logam yang satu dengan yang lain berbeda. Artinya, tingkat pemuaian logam-logam tersebut juga berbeda. Logam yang paling besar pemuaiannya akan mendorong jarum penunjuk hingga berputar paling jauh, sedangkan logam yang pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk berputar paling dekat. Jika digunakan batang logam aluminium, baja, dan besi maka logam aluminium memuai paling besar, sedangkan besi adalah logam yang memuai paling kecil.

Alat Ukur Muai Panjang Musschenbroek

Alat Musschenbroek dapat menunjukkan

1. pemuaian dan pertambahan panjang zat padat jika dipanaskan;
2. pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu;
3. pemuaian zat padat sebanding dengan kenaikan suhunya.

Pemuaian panjang zat padat ditentukan oleh koefisien muai panjang zat padat itu.

Koefisien Muai Panjang

Untuk memahami koefisien muai panjang zat padat, mari kita perhatikan uraian berikut ini.

Sebatang tongkat tembaga pada suhu 0^oC panjangnya 10 m. Jika tongkat tembaga tersebut dipanaskan  sampai 100^oC maka panjangnya menjadi 10,017 m. Berapakah pertambahan panjang tembaga jika suhunya hanya naik 1^oC? Pada suhu 0^oC, panjang tembaga 10 m (l₀), pada suhu 100^oC (t) panjangnya 10,017 m (l_t).

Pertambahan panjang 10 m tembaga jika suhu naik dari 0^oC – 100^oC

= 10,017 m – 10 m
= l_t – l₀

Pertambahan panjang 10 m tembaga jika suhu naik dari 0^oC – 1^oC

Pertambahan panjang 1 m tembaga jika suhunya naik dari 0^oC – 1^oC adalah

Pertambahan panjang 1 m benda tiap kenaikan suhu 1^oC ini disebut koefisien muai panjang (α). Jadi, koefisien muai panjang suatu benda adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang suatu benda tiap satuan panjang jika suhu benda tersebut naik 1^oC. Dengan demikian, jika dinyatakan bahwa koefisien muai panjang tembaga adalah 0,000017/^oC maka berarti setiap 1 meter tembaga yang suhunya dinaikkan 1^oC akan bertambah panjang 0,000017 meter. Jika ditulis dalam persamaan maka :

atau dapat juga dituliskan dalam bentuk

Sebatang tongkat logam pada suhu t1 panjangnya l1 dan pada suhu t2 panjangnya l2. Dengan proses matematika dapat diperoleh persamaan sebagai berikut.

Satuan koefisien muai panjang ini adalah …/^oC atau …/K.

Koefisien Muai Panjang Zat Padat

Muai Luas Zat Padat

Pemuaian dalam zat padat sebenarnya terjadi ke semua arah, yaitu memanjang, melebar, dan menebal. Namun, pengukuran pemuaian panjang pada benda padat sudah dianggap cukup memadai untuk mewakili pemuaian luas. Misalnya, menghitung pemuaian luas sebuah benda yang berupa lembaran tipis berbentuk persegi panjang dengan menghitung terlebih dahulu muai panjang dan muai lebarnya dengan persamaan yang berlaku pada pemuaian panjang.

Jika pada suhu t1 luas benda adalah A1 dan pada suhu t2 luasnya A2 maka berlaku persamaan muai luas dengan pendekatan sebagai berikut.

A₂ = A₁ {1+2α (t₂-t₁)}

atau

A₂ = A₁ {1+β (t₂-t₁)}

A₂ = A₁ {1+β . Δt}

β = 2α

β = koefisien muai luas

Persamaan di atas cukup memadai untuk menghitung persoalan sederhana sehubungan dengan pemuaian luas benda padat (terutama untuk benda-benda padat dengan koefisien muai panjang yang kecil).

Koefisien muai luas zat padat adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan luas suatu benda tiap satuan luas jika suhunya naik 1^oC.

Muai Ruang / Muai Volume Zat Padat

Masih ingatkah kita, muai apa yang terjadi pada benda yang berbentuk pipa dan berbentuk keping? Bagaimana pada benda yang berbentuk bola? Untuk membuktikan adanya muai ruang pada benda yang berbentuk bola dapat menggunakan alat s’Gravesande.

Jika bola dipanaskan, bola memuai, volumenya bertambah besar sehingga tidak dapat masuk ke dalam gelang. Setelah beberapa saat, gelang ikut panas dan bola dapat masuk kembali ke dalam gelang. Itu berarti, panas pindah dari bola ke gelang dan diameter gelang membesar.

Alat Ukur Muai Ruang/Muai Volume gelang s’Gravesande

Dengan gelang s’Gravesande dapat dibuktikan bahwa

1. zat padat jika dipanaskan akan memuai dan volumenya bertambah besar;
2. pemuaian benda berongga akan memperbesar rongganya (arah pemuaiannya kel uar rongga);
3. panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya.

Pemuaian volume zat tergantung jenis zat padatnya. Sebuah benda padat pada suhu 0^oC volumenya V₀, pada suhu t^oC, volumenya V_t. Pertambahan volume tiap satuan suhu benda padat adalah sebesar :

Bilangan yang menunjukkan pertambahan volume suatu benda tiap satuan volume jika suhunya naik 1^oC disebut koefisien muai ruang (γ). Jadi,

Persamaan di atas dapat diubah menjadi persamaan berikut ini.

V_t  =  V₀ (1 + γt)

Jika volume zat padat pada t₁ adalah V₁ dan volume pada t₂ adalah V₂ maka berlaku

Untuk zat padat yang angka muainya sangat kecil, berlaku persamaan

V₂ = V₁ {1 + γ (t₂-t₁)}

V₂ = V₁ {1 + γ Δt}

Hubungan antara koefisien muai ruang (γ) dengan koefisien muai panjang (α) dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.

γ = 3α

Pada konstruksi jembatan, pada setiap sambungan diberikan ruang kosong (spasi) yang berfungsi untuk menghindari tekanan antara bagian jembatan dengan jalan akibat terjadinya pemuaian zat padat.