PENGARUH KALOR PADA PEMUAIAN ZAT

Soal dan Penyelesaian Fisika SMA - Kalor dan suhu menyebabkan terjadinya perubahan pada suatu zat. Perubahan tersebut dapat berupa pemuaian dan bisa juga perubahan bentuk atau wujud dari zat tersebut. Pemuaian yang dialami zat juga dibedakan menjadi pemuaian panjang, pemuaian volume dan pemuaian gas.

Muai Panjang

Zat padat yang bentuknya memanjang, pada umumnya akan mengalami muai panjang jika benda tersebut dipanaskan. Pertambahan panjang yang dialami benda tersebut berbanding lurus dengan pertambahan suhunya. Artinya jika suhu semakin naik, maka pemuaiannya pun akan bertambah panjang. Secara matematik pemuaian panjang ini dapat dirumuskan sebagai berikut.

ΔL = Lo.α.Δt

Karena: ΔL = perubahan panjang yang dialami benda (panjang akhir – panjang awal) maka panjang akhir dari benda yang memuai:

L= Lo (1 + α . Δt)

L = panjang akhir benda dalam satuan meter
Lo = panjang mula mula dalam satuan meter
ΔL = perubahan panjang dalam satuan meter
α = koefisien muai panjang benda dalam satuan m/^oC
Δt = perubahan suhu

Contoh soal
Sebatang aluminium panjangnya 1,5 m pada suhu 0^oC. Kemudian dipanaskan sampai suhu 50^oC. Jika koefisien muai panjang aluminium besarnya 24.10^-6/^oC, berapakah panjang aluminium tersebut setelah dipanaskan?
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
L= Lo (1 + α . Δt)
L= 1,5 (1 + 24 . 10^-6. 50)
L= 1,5018 m

Perubahan suhu yang sama terhadap benda yang berbeda belum tentu menyebabkan pertambahan panjang yang sama. Pertambahan panjang benda ini dipengaruhi oleh koefisien muai panjang yang dimiliki oleh benda tersebut yang besarnya bisa berbeda beda.

Apa itu koefisien muai panjang itu?
Secara definisi dapat dijelaskan bahwa koefisien muai panjang merupakan bilangan yang menunjukkan berapa cm atau m bertambahnya panjang tiap 1 cm atau 1 m suatu batang yang jika suhunya dinaikkan 1 derajat celcius. Semakin besar koefisien muai panjang benda semakin besar pula pertambahan panjangnya untuk tiap kenaikan suhu.

Muai Volume

Sebagaimana halnya dengan pemuaian panjang, benda juga akan mengalami pemuaian volume jika mengalami perubahan suhu.
Secara matematik dapat kita rumuskan sebagai berikut.
ΔV = Vo . γ . Δt
Volume akhir dari benda yang mengalami muai volume ini dapat juga kita cari dengan rumus berikut.
V = Vo .(1 + γ . Δt)
V = Volume akhir benda dalam satuan m³
Vo = Volume mula mula dalam satuan m³
γ = koefisien muai volume benda dalam satuan m³/^oC
Δt = perubahan suhu

Contoh soal
Sebuah silinder gelas yang isinya pada suhu 0^oC = 2 liter diisi penuh dengan alkohol. Jika gelas tersebut beserta isinya dipanaskan sampai suhu 40^oC.Hitunglah berapa cm³ volume silinder gelas, volume alkohol dan volume alkohol yang tumpah? (α alkohol 0,001/^oC, α gelas 9 . 10^-6/^oC).
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
a. Volume silinder gelas
    V = Vo .(1 + γ . Δt)
    V= 2 (1 + 3 α .40)
    V= 2 (1 + 27 . 10^-6 .40)
    V= 2,00216 liter
    V= 2002,16 cm³
b. Volume alkohol
     V= Vo .(1 + γ . Δt) 
     V= 2 (1 + 0,001.40)
     V= 2 (1 + 0,040)
     V= 2,08 liter
     V= 2080 cm³
c. Volume alkohol yang tumpah
    ΔV = Valkohol – Vgelas
    ΔV = 2080 cm³ - 2002,16 cm³
    ΔV = 77,84 cm³

Koefisien muai volume atau ruang suatu benda merupakan bilangan yang menunjukkan pertambahan volume 1 cm³ zat tersebut apabila dipanaskan 1^oC. Untuk zat pada berlaku ketentuan  γ=3α.

kalau kita tuliskan rumusnya menjadi seperti berikut.

V = Vo .(1 + γ.Δt)

Koefisien muai volume atau ruang suatu zat cair merupakan bilangan yang menunjukkan pertambahan volume 1 cm³zat cair tersebut apabila dipanaskan 1^oC

Anomali air

Khusus untuk air, apabila suhunya diturunkan atau didinginkan maka volumenya akan bekurang secara teratur sampai suhu 4^oC. Jika suhunya semakin diturunkan maka volume nya akan naik lagi dan pada 0 ^oC akan terjadi pembekuan (membeku). Jika terus didinginkan volumenya akan tetap bertambah besar. Sebagai contoh mungkin kita pernah melihat batu Es yang membengkak ketika telah menjadi Es, karena itu ketika membuat Es disarankan wadahnya tidak terlalu penuh.

Pemuaian Gas

Jika suatu gas dipanaskan dengan tekanan yang tetap, maka gas tersebut akan mengalami pemuaian volume (bertambah volumenya).
Pertambahan volume suatu gas dapat dirumuskan sebagai berikut.

ΔV = Vo . β . Δt

Karena β merupakan koefisien muai volume gas yang nilainya tetap untuk semua gas yaitu sebesar 1/273, maka rumus di atas dapat kita ubah menjadi sebagai berikut.

ΔV=Vo.(1/273).Δt

atau

ΔV = (Vo . Δt) / 273

Contoh soal
Sejumlah gas oksigen dipanaskan hinga suhu 75^oC. Jika mula mula terdapat 2 liter gas pada suhu 15^oC, berapkah pertambahan volumenya?
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
   ΔV = Vo . (1/273) . Δt
   ΔV = 2 .60/273
   ΔV = 120/273
   ΔV = 0,44 liter