Pemuaian Zat Padat (Faktor, Koefisien, dan Rumus Pemuaian Zat Padat)

Zat padat adalah zat yang memiliki partikel-partikel yang sangat berdekatan dan teratur. Apabila dipanaskan, partikelnya bergetar dan saling menjauh. Akibatnya, ukuran zat padat membesar yang disebut memuai. Sebaliknya apabila didinginkan partikel-partikelnya saling mendekat, akibatnya ukuran zat padat mengecil yang disebut menyusut. Salah satu faktor yang memengaruhi pemuaian zat padat adalah jenis zat padatnya.

    Misalnya aluminium, pemuian aluminium lebih besar dibanding baja dan tembaga. Hal ini berarti pertambahan panjang alumunium lebih besar dari tembaga dan baja. Contohnya apabila panjang aluminium sebelum dipanaskan 1 meter, dan setelah dipanaskan 1°C bertambah 0,000026 meter, apabila panjang tembaga sebelum dipanaskan 1 meter, dan setelah dipanaskan 1°C bertambah 0,000017 meter, dan apabila panjang besi sebelum dipanaskan 1 meter, dan setelah dipanaskan bertambah 0,000011 meter. Angka pertambahan panjang untuk setiap 1 m bahan dengan kenaikan suhu 1°C disebut koefisien muai panjang. Lambang koefisien muai panjang ∝(dibacanya alpha) dan satuannya meter per derajat Celsius (m/°C).

    Pada umumnya benda atau zat padat akan memuai atau mengembang bila dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Pemuaian dan penyusutan itu terjadi pada semua bagian benda, yaitu panjang, lebar, dan tebal benda tersebut. Bila benda padat (misalnya logam) dipanaskan maka suhunya akan naik. Pada suhu yang tinggi atom-atom dan molekul-molekul penyusun logam tersebut akan bergetar lebih cepat dari biasanya sehingga mengakibatkan logam tersebut akan memuai ke segala arah. Pemuaian ini menyebabkan volume logam bertambah besar dan kerapatannya menjadi berkurang.

    Para ahli konstruksi dan disain bangunan, jembatan, dan jalan raya harus memperhatikan sifat pemuaian dan penyusutan bahan karena perubahan suhu. Jembatan umumnya dibuat dari besi baja yang saling disambungkan satu dengan lainnya. Untuk itu agar sambungan besi baja tidak melengkung, karena memuai akibat terik panas matahari atau menyusut di malam hari, maka sambungan-sambungan besi baja tidak boleh dipasang saling rapat satu dengan lainnya. Harus ada rongga yang cukup di antara sambungan-sambungan itu.

    Seperti halnya sambungan logam pada jembatan, besibesi rel kereta api harus dipasang saling berongga untuk mencegah terjadinya kecelakaan kereta api yang disebabkan rel kereta api melengkung. Karena sambungan rel kereta api berongga, maka suara berisik roda kereta api ketika melewati rel akan terdengar lebih keras di waktu malam hari dibandingkan siang hari.

    Bimetal dibuat berdasarkan sifat pemuaian zat padat. Bimetal antara lain dimanfaatkan pada termostat. Prinsip kerja thermostat sebagai berikut. Bila udara di ruangan dingin maka keping bimetal pada akan menyusut, membengkok ke kiri, dan menyentuh logam biasa sehingga kedua ujungnya saling bersentuhan. Sentuhan antara kedua ujung logam itu menjadikan rangkaian tertutup dan menyalakan pemanas sehingga ruangan menjadi hangat.

    Sebaliknya, apabila ruangan telah cukup hangat maka keping bimetal akan mengembang dan kembali ke posisi semula, yaitu membengkok ke kanan. Akibatnya ujung bimetal tidak bersentuhan lagi dengan logam biasa sehingga rangkaian pemanas menjadi terbuka dan pemanasan ruangan tidak terjadi lagi.

Faktor Yang Mempengaruhi Pemuaian Zat Padat

    Selanjutnya, selain jenis zat padat, faktor yang mempengaruhi pemuaian adalah:

1. Panjang benda

    Semakin panjang ukuran suatu benda padat yang dipanaskan, maka semakin besar pemuaiannya. Contohnya, sebuah batang besi yang panjangnya 1 m sebelum dipanaskan akan memuai menjadi dua kali lipat dari pemuaian batang besi lainnya yang panjangnya 0,5 m sebelum dipanaskan.

2. Besarnya perubahan suhu

    Semakin besar perubahan suhu yang dialami suatu benda antara sebelum dan sesudah dipanaskan, semakin besar pula pemuaiannya. Contohnya ada dua batang besi, yaitu batang besi A panjangnya 1 m suhu awalnya 30°C dipanaskan sampai suhu 100°C, sedangkan besi B panjangnya 1 m dengan suhu awalnya 30°C dipanaskan sampai suhu 80°C. Maka setelah dipanaskan pemuaian panjang besi A lebih besar dari besi B, karena besi A mengalami perubahan suhu sebesar 70°C, sedangkan besi B mengalami perubahan suhunya sebesar 50°C.

Pemuaian dan penyusutan pada zat padat itu dipengaruhi jenis bahan zat, koefisien muai panjang, panjang benda, dan besarnya perubahan suhu.

Nilai Koefisien Muai Panjang Beberapa Zat Padat

Rumus Pemuaian Zat Padat
    Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat disebut muschenbroek. Dalam eksperimen yang dilakukan menunjukkan bahwa hampir semua benda padat apabila dipanaskan mengalami perubahan panjang, luas dan volume.
1. Rumus Pemuaian Panjang

L = Lo {1 + α (t2 – t1)}

Keterangan
L   = panjang setelah pemanasan atau pendinginan (m) atau (cm)
Lo = panjang awal (m) atau (cm)
α   = koefisien muai panjang (/°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
t2 = suhu akhir (°C)

2. Rumus Pemuaian Luas

A = Ao {1 + β ( t2 – t1 )}

Keterangan
A = luas setelah pemanasan atau pendinginan (m2) atau (cm2)
Ao = luas awal (m2) atau (cm2)
β = koefisien muai luas (/°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
t2 = suhu akhir (°C)
Catatan
β = 2 α

3. Rumus Pemuaian Volume

V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) }

Keterangan
V = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m3) atau (cm3)
Vo = volume awal (m3) atau (cm3)
γ = koefisien muai volume ( /°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
t2 = suhu akhir (°C)
Catatan
γ = 3 α