Peristiwa pemuaian dapat ditemukan dalam berbagai kehidupan sehari-hari. Pemuaian dapat terjadi pada setiap benda ketika benda terkena suhu yang tinggi. Peristiwa pemuaian yang paling mudah terlihat adalah pada pemuaian kaca jendela sehingga bingkai jendela harus dibuat memiliki celah ketika kaca memuai.
Pengertian Pemuaian
Pemuaian adalah peristiwa pertambahan ukuran suatu benda dikarenakan adanya kenaikan suhu yang diterima oleh benda tersebut. Ada banyak contoh pemuaian yang dialami oleh suatu benda. Logam yang diberikan suhu padanya akan mengalami pertambahan ukuran meskipun pertambahan tersebut kecil.
Pemuaian yang paling mudah terlihat dalam kehidupan sehari-hari adalah pada pemuaian benda padat terutama pemuaian logam. Logam yang terkena pemuaian biasanya akan berubah melengkung jika terkena pembatas di ujung-ujungnya seperti pada kerangka logam besi.
Pemuaian sendiri bisa terjadi di semua jenis zat yakni zat padat, cair dan juga zat gas. Saat benda diberikan tambahan suhu atau kalor, maka molekul yang ada di dalam benda tersebut akan saling mendorong satu dan yang lainnya hingga molekul saling terpisah dan mengembang (memuai).
Jenis Pemuaian Termal
Pada perubahan suhu yang relative lebih kecil, pemuaian termal yang terjadi pada benda bersifat linear sehingga tidak mengubah fase zat. Jenis pemuaian termal yang bersifat linear dibagi berdasarkan pemuaian panjang, luas dan volumenya.
- Pemuaian Panjang
Temperatur benda yang naik dapat menyebabkan benda mengalami pemuaian. Benda yang pada awalnya mempunyai panjang sebesar Lo pada suhu T dapat mengalami pemuaian panjang sebesar ∆L saat temperatur zat dinaikkan sebesar ∆T.
Pemuaian logam seperti batang akibat pertambahan suhu hanya dianggap ke arah panjang batangnya saja atau pemuaian linier karena mengabaikan pemuaian yang terjadi ke arah radial.
Pemuaian panjang sebesar ∆L sebanding dengan panjang batang awal dan besar kenaikan suhu ∆T, dimana kecepatan pemuaian juga dipengaruhi oleh koefisien muai linear atau α.
Beberapa zat yang terdapat di alam ini sudah diperoleh nilai pendekatan untuk koefisien muai panjangnya sehingga tidak perlu dicari lagi. Berikut table nilai koefisien muai panjang beberapa zat.
| Bahan | Koefisien Muai Panjang (α) 1/K |
| Aluminium | 24 x 10ˉ⁶ |
| Invar | 1 x 10ˉ⁶ |
| Kuningan | 19 x 10ˉ⁶ |
| Karbon: | |
| Intan | 1,2 x 10ˉ⁶ |
| Grafit | 7,9 x 10ˉ⁶ |
| Es | 51 x 10ˉ⁶ |
| Karet keras | 80 x 10ˉ⁶ |
| Tembaga | 17 x 10ˉ⁶ |
| Gelas: | |
| Biasa | 9 x 10ˉ⁶ |
| Pyrex | 3,2 x 10ˉ⁶ |
| Baja | 11 x 10ˉ⁶ |
- Pemuaian Luas
Sebuah benda yang tipis memiliki luasan tertentu dengan ukuran panjang dan lebar Lo kemudian dipanaskan sehingga suhu benda tipis tersebut bertambah dari yang awalnya T menjadi T + ∆T. Apabila koefisien muai linear dilambangkan dengan α, maka pemuaian luas bisa dituliskan sebagai berikut:
A = L1² = Lo² (1 + 2 α. ∆T + α².∆T²)²
Ao = Lo x Lo = Lo²
Suku yang dikuadratkan di atas umumnya diabaikan karena nilai koefisien muai termal α memiliki orde sangat kecil yakni 10ˉ⁶/C. Sehingga rumus di atas dapat disederhanakan menjadi:
A = Ao (1 + 2 α. ∆T)²
Keterangan:
Ao = Luas mula-mula benda yang sedang diamati
- Pemuaian Volume
Pemuaian volume adalah kondisi dimana volume suatu benda bertambah karena benda mendapat kalor dari luar. Pemuaian volume terjadi pada benda dengan bentuk tiga dimensi yakni yang memiliki volume di dalamnya. Contoh pemuaian volume adalah pada bola, balon, dan sebagainya.
Rumus Pemuaian
- Rumus Pemuaian Panjang
Untuk menghitung pertambahan panjang benda setelah terkena suhu dapat menggunakan persamaan matematis berikut ini:
∆L = α x Lo x ∆T
Keterangan:
∆L = Pertambahan panjang akibat pemuaian (m)
α = Koefisien muai panjang (1/⁰C atau 1/K)
∆T = Pertambahan suhu (m)
Lo = Panjang benda mula-mula (m)
Untuk menghitung koefisien muai panjang bisa dengan menggunakan persamaan di bawah ini:
α = ∆L / Lo x ∆T
Untuk menghitung panjang batang setelah terjadi pemuaian menggunakan rumus berikut:
L = Lo + ∆T
L = Lo + (1 + α x ∆T)
- Rumus Pemuaian Luas
Rumus pemuaian luas hampir sama dengan pemuaian panjang yakni:
∆A = β x Ao x ∆T
Lambang β (1/K) menunjukkan koefisien muai luas dengan rumus untuk mencari sebagai berikut:
Nilai kuadrat pertambahan panjang ∆L² sangat kecil sehingga umumnya bisa diabaikan. Maka koefisien muai luas menjadi sebesar:
Koefisien muai panjang:
Sehingga β = 2α
- Rumus Pemuaian Volume
Rumus untuk mencari pemuaian volume sama dengan rumus pemuaian panjang dan luas sebagai berikut:
∆V = γ x Vo x ∆T
Lambang γ merupakan koefisien muai untuk volume dengan rumus berikut:
Koefisien muai volume adalah tiga kali dari koefisien muai untuk panjang
γ = 3α
Contoh Soal Pemuaian
- Contoh 1
Suatu batang aluminium mempunyai luas 200 cm². Apabila batang aluminium tersebut dipanaskan dari suhu 10 ⁰C hingga mencapai suhu 40 ⁰C, tentukan besar perubahan luas batang aluminium tersebut setelah terjadi pemuaian luas? Diketahui α = 24 x 10ˉ⁶ /K
Diketahui:
Ao = 200 cm² = 2 m²
∆T = 40 ⁰C – 10 ⁰C = 30 ⁰C = 303,15 K
β = 2α = 2 x 24 x 10ˉ⁶ /K = 48 x 10ˉ⁶ /K
Ditanya:
Besar perubahan luas batang aluminium (∆A)?
Jawab:
∆A = β x Ao x ∆T
∆A = 48 x 10ˉ⁶ /K x 2 m² x 303,15 K
∆A = 0,029 m²
Perubahan luas batang aluminium (∆A) setelah pemuaian sebesar 0,029 m²
- Contoh 2
Suatu silinder terbuat dari tembaga mempunyai volume sebesar 50 m³ kemudian dipanaskan hingga suhunya naik sebesar 50 ⁰C. Diketahui besar koefisien muai panjang α = 17 x 10ˉ⁶ /K. Tentukan volume akhir silinder setelah terjadi pemuaian.
Diketahui:
Vo = 50 m³
∆T = 50 ⁰C = 323,15 K
γ = 3α = 3 x 17 x 10ˉ⁶ /K = 51 x 10ˉ⁶ /K
Ditanya:
Volume akhir silinder (V)?
Jawab:
∆V = γ x Vo x ∆T
∆V = 51 x 10ˉ⁶ /K x 50 m³ x 323,15 K
∆V = 0,82 m³
V = ∆V + Vo
V = 0,82 m³ + 50 m³
V = 50,82 m³
Ketika suatu benda padat dikenai tambahan kalor, maka zat padat tersebut akan memuai atau mengembang. Saat benda tersebut didinginkan, maka benda akan menyusut. Pemuaian serta penyusutan terjadi di semua zat baik itu zat padat, cair dan gas. Pemuaian zat padat meliputi panjang, luas dan volume.