Peristiwa pemekaran dapat dijumpai dalam berbagai kehidupan sehari-hari. Pemuaian dapat terjadi pada benda apa pun ketika benda tersebut terkena suhu tinggi. Peristiwa pemuaian yang paling terlihat adalah pemuaian kaca jendela sehingga kusen jendela harus dibuat memiliki celah saat kaca memuai.
Definisi Ekspansi
Pemuaian adalah peristiwa bertambahnya ukuran suatu benda akibat kenaikan suhu yang diterima oleh benda tersebut. Ada banyak contoh pemuaian yang dialami oleh suatu benda. Logam yang diberi temperatur akan mengalami pertambahan ukuran meskipun pertambahannya kecil.
Pemuaian yang paling mudah dilihat dalam kehidupan sehari-hari adalah pemuaian benda padat, khususnya pemuaian logam. Logam yang terkena pemuaian biasanya akan berubah menjadi melengkung jika terkena pembatas pada bagian ujungnya seperti pada rangka logam besi.
Pemuaian sendiri dapat terjadi pada semua jenis zat yaitu zat padat, cair dan juga gas. Ketika suatu benda diberi tambahan suhu atau kalor, maka molekul-molekul dalam benda tersebut akan saling mendorong hingga molekul-molekul tersebut memisah dan memuai (memuai).
Jenis Ekspansi Termal
Pada perubahan suhu yang relatif lebih kecil, pemuaian termal yang terjadi pada benda bersifat linier sehingga tidak mengubah fase zat. Jenis pemuaian termal linier dibagi berdasarkan pemuaian panjang, luas, dan volume.
- Ekspansi Panjang
Suhu suatu benda yang naik dapat menyebabkan benda memuai. Sebuah benda yang awalnya memiliki panjang Lo pada suhu T dapat memuai panjangnya sebesar ∆L ketika suhu zat tersebut dinaikkan sebesar ∆T.
Pemuaian logam seperti batang karena kenaikan suhu hanya dianggap searah dengan panjang batang atau pemuaian linier karena mengabaikan pemuaian yang terjadi pada arah radial.
Panjang pemuaian ∆L sebanding dengan panjang batang awal dan kenaikan suhu ∆T, dimana kecepatan pemuaian juga dipengaruhi oleh koefisien pemuaian linier atau α.
Beberapa zat yang ditemukan di alam telah memperoleh nilai perkiraan koefisien muai panjang, sehingga tidak perlu mencarinya lagi. Berikut tabel 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: | |
| berlian | 1,2 x 10ˉ⁶ |
| Grafit | 7,9 x 10ˉ⁶ |
| Es | 51 x 10ˉ⁶ |
| Karet keras | 80 x 10ˉ⁶ |
| Tembaga | 17 x 10ˉ⁶ |
| Kaca: | |
| Normal | 9 x 10ˉ⁶ |
| Pyrex | 3,2 x 10ˉ⁶ |
| Baja | 11 x 10ˉ⁶ |
- Ekspansi Luas
Sebuah benda tipis memiliki luas tertentu dengan panjang dan lebar Lo kemudian dipanaskan sehingga suhu benda tipis tersebut meningkat dari T awal menjadi T + ∆T. Jika koefisien muai panjang dilambangkan dengan α, maka muai luas dapat ditulis sebagai berikut:
A = L1² = Lo² (1 + 2 α.∆T + α².∆T²)²
Ao = Lo x Lo = Lo²
Suku kuadrat di atas umumnya diabaikan karena nilai koefisien muai panas α memiliki orde yang sangat kecil yaitu 10ˉ⁶/C. Sehingga rumus di atas dapat disederhanakan menjadi:
A = Ao (1 + 2 α.∆T)²
Informasi:
Ao = Luas awal objek yang diamati
- Ekspansi Volume
Pemuaian volume adalah suatu keadaan dimana volume suatu benda bertambah besar karena benda tersebut mendapat kalor dari luar. Pemuaian volume terjadi pada benda dengan bentuk tiga dimensi, yaitu benda yang memiliki volume di dalamnya. Contoh pemuaian volume adalah bola, balon, dan sebagainya.
Formula Ekspansi
- Formula Ekspansi Panjang
Untuk menghitung pertambahan panjang suatu benda setelah terkena suhu, dapat digunakan persamaan matematika berikut:
∆L = α x Lo x ∆T
Informasi:
∆L = Pertambahan panjang karena pemuaian (m)
α = Koefisien pemuaian panjang (1/⁰C atau 1/K)
∆T = Perubahan suhu (m)
Lo = panjang benda awal (m)
Untuk menghitung koefisien muai panjang, dapat menggunakan persamaan di bawah ini:
α = ∆L / Lo x ∆T
Untuk menghitung panjang batang setelah pemuaian terjadi, gunakan rumus berikut:
L = Lo + ∆T
L = Lo + (1 + α x ∆T)
- Rumus Perluasan Luas
Rumus pemekaran wilayah hampir sama dengan pemekaran panjang, yaitu:
∆A = β x Ao x ∆T
Simbol β (1/K) menunjukkan koefisien muai luas dengan rumus mencari sebagai berikut:
Nilai kuadrat dari pertambahan panjang ∆L² sangat kecil sehingga umumnya dapat diabaikan. Maka koefisien muai luas menjadi :
Koefisien ekspansi panjang:
Sehingga β = 2α
- Formula Perluasan Volume
Rumus untuk mencari muai volume sama dengan rumus muai panjang dan luas sebagai berikut:
∆V = γ x Vo x ∆T
Simbol γ adalah koefisien muai volume dengan rumus berikut:
Koefisien muai volume tiga kali koefisien muai panjang
γ = 3a
Contoh Masalah Ekspansi
Sebuah batang aluminium memiliki luas 200 cm². Jika batang aluminium dipanaskan dari suhu 10 ⁰C menjadi 40 ⁰C, berapakah perubahan luas batang aluminium setelah terjadi pemuaian luas? Diketahui α = 24 x 10ˉ⁶ /K
Diskusi
Dikenal:
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
diminta:
Berapakah perubahan luas batang aluminium (∆A)?
Menjawab:
∆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 adalah 0,029 m²
Sebuah silinder terbuat dari tembaga yang volumenya 50 m³ kemudian dipanaskan hingga suhunya naik 50 ⁰C. Diketahui koefisien muai panjang α = 17 x 10ˉ⁶ /K. Tentukan volume akhir silinder setelah terjadi pemuaian.
Diskusi
Dikenal:
Vo = 50 m³
∆T = 50 ⁰C = 323,15 K
γ = 3α = 3 x 17 x 10ˉ⁶ /K = 51 x 10ˉ⁶ /K
diminta:
Volume silinder akhir (V)?
Menjawab:
∆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 benda padat dikenai panas tambahan, padatan akan memuai atau memuai. Saat benda didinginkan, benda itu akan menyusut. Pemuaian dan penyusutan terjadi pada semua zat baik itu padat, cair maupun gas. Pemuaian zat padat meliputi panjang, luas, dan volume.