Fisika: Suhu dan Pemuaian

  

Apa kalian mengetahui bahwa pemuaian benda berkaitan dengan suhu? Bagaimana pengaruh suhu terhadap molekul dapat menyebabkan benda jadi memuai?

Singkatnya hal ini berkaitan dengan energi kinetik molekul

Jadi Apa Itu Suhu?

Suhu merupakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Sederhananya makin panas benda maka akan semakin tinggi suhunya.Tidak sesederhana hanya menentukan benda itu panas atau dingin. Di dalam fisika suhu/temperatur merupakan ukuran energi internal yang dimiliki suatu benda.

Tapi kenapa suhu ini bisa ada?

Jadi Jika kita melihat pada tingkat mikroskopik paling dasar, suhu sebenarnya terbentuk karena adanya energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul tertentu.

Suhu merupakan ukuran dari seberapa besar energi kinetik dalam suatu sistem

Jika kalian belum tau mengenai terminologi sistem, kalian bisa baca pada artikel Termodinamika berikut.

Jika suhu suatu sistem semakin tinggi maka akan memicu molekul-molekul untuk bergerak makin cepat. Artinya energi kinetik molekulnya akan semakin besar. Ketika energi kinetik dalam suatu sistem membesar maka sistem tersebut akan semakin panas.

Ilustrasi Energi Kinetik Molekul

Kenaikan derajat kebebasan molekul pada suatu benda akan menyebabkan suhu benda semakin meningkat.

Bagaimana suhu dapat diukur?

Termometer digunakan untuk mengukur suhu, namun untuk mendapatkan nilai kuantitatif yang tepat, diperlukan skala numerik seperti Celsius (0C), Fahrenheit (0F), atau Kelvin (K).

Bagaimana termometer dapat mengukur suhu?

Jadi termometer menggunakan sifat termometrik suatu zat, yang mengacu pada sifat fisik suatu zat ketika dipanaskan atau didinginkan. Misalnya, dalam termometer raksa, ketika air raksa didinginkan maka volumenya akan menyusut dan ketika dipanaskan akan memuai.

Kenapa Air Raksa digunakan pada Termometer?

Sebenernya kalau menurut pendapat gw pribadi, benda apapun yang memiliki sifat berubah terhadap perubahan temperatur dapat digunakan sebagai termometer.

Kenapa air raksa? Hal ini berdasarkan pada sifat air raksa yang dapat menyerap panas benda yang diukur. Jadi air raksa memiliki kalor yang rendah jika dibandingkan dengan cairan lain. Hal ini  membuat air raksa bisa mendeteksi perubahan suhu secara cepat, dengan menyerap kalor dari objek yang diukur.

Air raksa memiliki kohesi yang kuat, sehingga cenderung tidak melekat pada dinding tabung dan memiliki perilaku pemuaian yang teratur. Air raksa juga memiliki rentang suhu yang luas, dengan titik beku sekitar -39 0C dan titik didih sekitar 357 0C.

Kohesi terjadi ketika molekul dari satu zat lebih tertarik dengan molekul sejenis dibandingkan dengan zat lain yang bersentuhan dengannya

Dalam fisika, suhu pada umumnya dinyatakan dalam 4 Skala, yaitu:

Skala Celcius

Skala celcius dicetuskan oleh seorang ilmuan bernama Anders Celcius pada tahun 1741. Skala ini lebih gampang untuk diaplikasikan ke banyak hal, karena skala ini dikalibrasi berdasarkan titik beku dan dtitik didih air dengan rentang 0 – 100 derajat.

Skala Reamur

Rene Antoine Ferchault de Reamur mengusulkan skala Reamur, yang dikalibrasi berdasarkan titik beku dan titik didih air. Skala ini memiliki 0 derajat Reamur pada titik beku air dan 80 derajat Reamur pada titik didih air. Dalam skala ini, 1 derajat Reamur setara dengan 1,25 derajat Celsius atau 274,25 Kelvin jika dikonversi ke dalam skala termometer lainnya.

Skala Fahrenheit

Skala Fahrenheit ditemukan oleh Daniel Gabriel Fahrenheit (Fisikawan). Skala ini menggunakan raksa pada termometernya. Skala ini memiliki titik beku 32 derajat Fahrenheit, dengan titik didih 212 derajat fahrenheit.

Skala Kelvin (Skala Mutlak)

Skala Kelvin ditemukan oleh fisikawan William Thomson Kelvin. Skala ini menetapkan titik nol pada -273,15 derajat Celsius pada termometernya. Dalam skala ini, titik nol pada Celsius setara dengan 273,15 Kelvin, dan titik 100 derajat Celsius setara dengan 373,15 Kelvin. Pada suhu 0 mutlak, semua gerakan molekul dalam sistem akan berhenti dan mencapai keadaan diam.

Ilustrasi Perbandingan Skala Celcius dan Kelvin

Berikut hubungan antara skala fahrenhait dan Skala Celcius:

(T_f – 32) : T_c = 9 : 5

Konversi Celcius ke Kelvin

T = T_c + 273

Benar, suhu dapat mempengaruhi perubahan dimensi suatu benda, seperti panjang, luas, dan volume. Ketika suhu dinaikkan, partikel-partikel benda akan bergetar lebih kuat dan akhirnya menjauh satu sama lain. Hal ini akan menyebabkan jarak antara partikel-partikel menjadi lebih besar, sehingga volume benda akan meningkat. Proses ini disebut pemuaian, dan dapat terjadi pada berbagai macam bahan, tergantung pada sifat-sifat termalnya.

Lalu Apa yang dimaksud dengan pemuaian?

Pemuaian adalah perubahan fisik suatu zat dengan ciri-ciri menjadi bertambah panjang, bertambah lebar, bertambah luas ataupun bertambah volumenya karena adanya pemanasan pada benda tersebut

ketika suhu turun, getaran partikel dalam suatu benda akan melemah, sehingga partikel-partikel tersebut akan lebih dekat satu sama lain. Hal ini menyebabkan volume benda mengecil, sehingga benda tersebut menyusut. Proses ini disebut kontraksi, dan terjadi pada berbagai macam bahan ketika suhunya menurun.

Fenomena perubahan suhu yang membuat molekul bergerak cepat maupun bergerak lambat akan menyebabkan pemuaian dan penyusutan.

Pemuaian ini tidak hanya terjadi pada benda padat tetapi juga pada benda dengan wujud cair dan gas.

Kabel listrik adalah salah satu contoh benda padat yang mengalami pemuaian ketika dipanaskan. Lah emang kenapa dengan kabel listrik?

Ilustrasi Pemuaian Kabel Listrik Ketika Siang dan Penyusutan Ketika Malam
(Sumber:Zenius.net)

Hal tersebut mungkin disebabkan oleh perbedaan suhu pada siang dan malam hari. Pada siang hari, suhu di sekitar kabel lebih tinggi, sehingga kabel akan mengalami pemuaian dan menjadi lebih panjang. Ketika kabel lebih panjang, maka tampilannya akan terlihat lebih kendor.

Namun pada malam hari, suhu sekitar cenderung lebih rendah, sehingga kabel akan mendingin dan mengalami penyusutan atau kontraksi. Kabel yang mengalami penyusutan atau kontraksi ini kemudian terlihat lebih tegang dan kencang. Hal ini terjadi karena kabel tersebut mengalami perubahan panjang yang diakibatkan oleh pemuaian akibat kenaikan suhu.

Selain itu pada rel kereta api dibuat dengan celah antar batangnya untuk mengantisipasi pemuaian. Ketika suhu di sekitar rel meningkat, maka panjang rel juga akan ikut memuai dan menjadi lebih panjang. Tanpa adanya celah antar batang rel, maka rel yang lebih panjang ini dapat saling bertabrakan dan menyebabkan kerusakan pada rel atau kereta api itu sendiri.

Berdasarkan hal-hal empiris tersebut maka beberapa rumus matematis yang terkait dengan pemuaian adalah sebagai berikut:

1. Muai Panjang

Ilustrasi Muai Panjang

Muai panjang ini dapat dirumuskan:

Pemuaian panjang hanya terjadi pada satu dimensi (hanya panjangnya saja)

Besarnya koefisien muai panjang, tergantung pada material bendanya. Dalam fenomena pemuaian termal, logam akan memuai jika dipanaskan dan pemuaiananya akan berbeda tergantung dari jenis tiap tiap logam yang dipanaskan. Semakin besar koefisien muai panjang maka semakin besar tingkat pemuaiannya.

Koefisien Muai Panjang Beberapa Zat Padat
(Sumber:https://sumber.belajar.kemdikbud.go.id/)

Berdasarkan data pada tabel diatas dapat diketahui bahwa koefisien muai panjang alumunium lebih besar daripada tembaga dan besi. Berdasarkan data tersebut maka pertambahan panjang terbesar terjadi pada almunium (Al), Tembaga (Cu) kemudian Besi (Fe).

Koefisien muai panjang Almunium (Al) > Tembaga (Cu) > Besi (Fe)

2. Muai Luas

Ilustrasi Muai Luas

Muai Luas dapat dirumuskan:

Muai luas terjadi pada panjang dan lebar suatu benda

Contoh dari muai luas ini adalah pemasangan jendela dengan celah antara kaca dan bingkainya memungkinkan kaca untuk memuai luas saat suhu meningkat tanpa pecah atau retak karena tertahan oleh bingkai. Selain itu, pada konstruksi bangunan seperti jembatan, pemuaian luas juga harus diperhitungkan untuk mencegah kerusakan struktur akibat perubahan suhu.

3. Muai Volume 

Ilustrasi Muai Volume

Muai Volume dapat dirumuskan:

Muai volume terjadi pada panjang, lebar dan tinggi atau ketebalan suatu benda

Ketika kita memompa ban motor kita biasanya tidak dipompa sampai ban terisi penuh oleh udara. Hal ini dilakukan agar ketika udara di dalam ban mengalami pemuaian volume, ban tidak akan meledak.

Sekian pembahasan mengenai suhu dan pemuaian, semoga artikel ini bermanfaat. Cari tau seputar informasi mengenai dunia otomotif dan sains di ilmuvokasi.com

Location:

Share :