Di SMP anda telah mempelajari tentang suhu sebagai besaran yang menyatakan

derajat panas atau dinginnya suatu benda, yang diukur dengan termometer.

Thermometer menggunakan sifat termometrik zat jika dipanaskan, misalnya volum

raksa dalam tabung kaca memuai jika dipanaskan. Di SMP anda telah mempelajari

cara menetapkan skala pada thermometer celcius, Fahrenheit, dan Kelvin. Dalam bab

ini topik tersebut dibahas ulang dan lebih ditekankan pada penetapan skala sembarang

untuk thermometer yang belum berskala.

Di SMP anda hanya mengetahui bahwa zat yang dipanaskan akan memuai.

Dalam bab ini akan ditunjukkan bahwa ada zat, contohnya air, yang dapat memuai

atau menyusut ketika dipanaskan. Hampir pasti air memuai ketika dipanaskan, namun

jika air dipanaskan di antara suhu 0°C sampai lebih ditekankan pada pembahasan

kualitatif (pemahaman konsep), maka dalam bab ini, pemuaian zat padat maupun zat

cair lebih ditekankan pada pembahasan kuantitatif (hitungan).

Suhu, energi dalam, dan kalor adalah tiga besaran yang sering dipahami

dengan konsep yang salah oleh siswa. Suhu berkaitan dengan energi kinetic zat per

satu molekul. Energi dalam adalah energi total (energi kinetic + energi potensial) yang

dimiliki oleh seluruh molekul dalam zat. Sedangkan kalor adalah perpindahan

sebagian energi dalam suatu zat ke zat lainnya karena perbedaan suhu. Jadi, kalor

lebih mirip dengan usaha, karena hanya terdefinisi jika energi (dalam) berubah. Jadi,

suatu istilah yang salah konsep jika menyatakan suatu benda memiliki kalor atau

usaha. Kalor yang diberikan pada suatu benda umumnya digunakan untuk menaikkan

suhu benda. Tetapi ketika benda berubah wujud, misalnya es menjadi air, maka kalor

tidak menaikkan suhu benda.

Di SMP anda juga telah mempelajari tentang perpindahan kalor, yaitu bahwa

kalor dapat berpindah secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi umumnya

terjadi dalam zat padat, konveksi terjadi dalam fluida (zat cair dan gas), dan radiasi

adalah perpindahan kalor yang dapat melalui vakum atau ruang hampa misalnya kalor

dari matahari dapat sampai ke bumi. Jika di SMP perpindahan kalor dibahas hanya

secara kualitatif, maka dalam bab ini bahasan itu diperluas secara kuantitatif.

Suhu

Bagaimana caranya mengukur suhu?

Suhu termasuk suatu besaran pokok. Suhu menyatakan derajat panas atau

dinginnya suatu benda. Di SMP anda telah mendemonstrasikan bahwa tangan anda

tidak dapat digunakan sebagai alat pengukur suhu. Dapatkah anda memberi alasan

mengapa tangan tidak dapat digunakan sebagai sensor suhu?

Alat untuk mengukur suhu adalah thermometer. Di SMP telah anda ketahui

bahwa thermometer memanfaatkan sifat termometrik zat untuk mengukur suhu. Sifat

termometrik zat adalah sifat fisis zat yang berubah jika dipanaskan, misalnya volum

zat cair, panjang logam, hambatan listrik seutas kawat platina, tekanan gas pada volum

tetap, dan warna pijar kawat (filament) lampu.

Ada berapa jenis thermometer?

Thermometer paling umum digunakan untuk mengukur suhu dalam keseharian

adalah thermometer yang terbuat dari kaca dan diisi dengan zat cair. Di SMP telah

anda ketahui bahwa yang tergolong thermometer zat cair adalah thermometer klinis,

thermometer dinding, dan thermometer maksimum/minimum.

Selain thermometer zat cair, jenis-jenis thermometer lainnya adalah thermometer

bimetal, thermometer hambatan, termokopel, thermometer gas, dan pyrometer. Prinsip

kerja thermometer-termometer ini telah dibahas di SMP.

Pemuaian

Di SMP anda telah mengetahui bahwa setiap zat (padat, cair atau gas) disusun

oleh partikel-partikel kecil yang bergetar. Jika sebuah benda dipanasi, partikel-partikel

di dalamnya bergetar lebih kuat sehingga saling menjauh. Kita katakan bahwa benda

memuai. Jika benda didinginkan, getaran-getaran partikel lebih lemah, dan partikel-

partikel saling mendekat. Sebagai hasilnya benda menyusut.

Pemuaian terjadi baik pada zat padat, zat cair maupun gas. Dalam sub bab ini

kita hanya membahas tentang pemuaian zat padat dan zat cair. Pemuaian gas akan

dipelajari tersendiri dalam buku jilid 2B Bab Teori Kinetik Gas. Di SMP anda telah

mempelajari tentang pemuaian secara kualitatif. Dalam sub bab ini kita akan

membahas pemuaian secara kuantitatif.

Pemuaian Zat Padat

Di SMP anda telah mengetahui bahwa pemuaian zat padat menimbulkan

masalah. Kaca jendela yang terus menerus terkena panas dapat pecah karena memuai.

Karena itu selalu di desain ukuran bingkai kaca sedikit lebih besar daripada ukuran

kacanya. Pemanasan rel kereta terus menerus dapat menyebabkan rel melengkung.

Karena itu desain awal sambungan rel kereta menyediakan celah di antara sambungan

dua batang relnya. Dapatkah anda menyebutkan beberapa contoh lagi masalah-masalah

yang ditimbulkan pemuaian zat padat dan cara mengatasinya?

Di SMP anda juga telah mengetahui bahwa

pemuaian zat padat dapat dimanfaatkan. Perbedaan

pemuaian antara dua keping logam yang berbeda

koefisien muainya pada keping bimetal

dimanfaatkan pada saklar termal, thermostat

bimetal, thermometer bimetal, dan lampu sen

mobil. Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Ketika dipanaskan

keping melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih kecil (invar).

Sebaliknya ketika didinginkan keping melengkung ke arah logam yang koefisien

muainya lebih kecil (invar). Sebaliknya ketika didinginkan keping melengkung ke

arah logam yang koefisien muainya lebih besar (perunggu). Lihat gambar 6.6.

Pemuaian Panjang

Jika suatu benda padat dipanaskan, benda tersebut akan memuai ke segala arah.

Dengan kata lain ukuran panjang, luas, dan volum benda bertambah. Untuk benda

padat yang panjang tetapi luas penampangnya kecil, misalnya jarum rajut, kita dapat

saja hanya memperhatikan pemuaian zat padat ke arah memanjangnya.

Bagaimana dengan rumus kualitatif untuk pertambahan panjang?

Di SMP anda pelajari bahwa dalam laboratorium sekolah anda dapat

menggunakan alat Muschenbrock untuk membandingkan muai panjang dari berbagai

logam yang berbeda jenis (aluminium, tembaga, dan besi) dan sama panjang

dipanaskan, anda dapatkan bahwa walaupun ketiga batang yang panjangnya sama ini

mengalami kenaikan suhu yang sama, tetapi pertambahan panjang ketiganya berbeda.

Perbedaan pertambahan panjang ini disebabkan oleh perbedaan koefisien muai

panjang yang didefinisikan sebagai berikut.

Koefisien muai panjang () suatu bahan adalah perbandingan antara

pertambahan panjang () terhadap panjang awal benda (l0) per satuan kenaikan suhu

(T). Secara matematis dinyatakan sebagai:

α=

∆ ll0

∆ l

∆ l=α l0 ∆ T

Dengan ∆ l=lt−l0

∆ T=T−T 0

lt = panjang akhir benda (m)

T = suhu akhir benda (°C atau K)

T0 = suhu awal benda (°C atau K)

Pada tabel 6.2 ditunjukkan koefisien muai berbagai zat pada suhu kamar.

Koefisien muai panjang sering juga disebut sebagai koefisien muai linear.

ZatKoefisien muai panjang (C°)-1 Zat

Koefisien muai volum (C°)-1

Aluminium

Kuningan dan perunggu

Tembaga

Kaca (biasa)

Kaca (pyrex)

Timah hitam

Baja

Invar

Baja

24 x 10-6

19 x 10-6

17 x 10-6

9 x 10-6

3,2 x 10-6

29 x 10-6

11 x 10-6

0,9 x 10-6

12 x 10-6

Air

Alkohol

Benzena

Aseton

Gliscrin

Raksa

Terpentin

Bensin

Udara

2,1 x 10-4

1,12 x 10-3

1,24 x 10-3

1,5 x 10-3

4,85 x 10-3

1,82 x 10-3

9,0 x 10-3

9,6 x 10-3

3,67 x 10-3

Tabel 6.2 Koefisien muai berbagai zat pada suhu kamar

Helium 3,665 x 10-3

Pemuaian Luas

Bila benda padat berbentuk persegi panjang

dipanaskan, terjadi pemuaian dalam arah

memanjang dan arah melebar. Dengan kata lain,

benda padat mengalami pemuaian luas.

Pemuaian luas berbagai zat bergantung pada

koefisien muai luas.

Koefisien muai luas () suatu bahan adalah perbandingan antara pertambahan

luas benda (A) terhadap luas awal benda (A0) per satuan kenaikan suhu (T). Secara

matematis, dinyatakan sebagai:

β=

∆ AA0

∆T

A=A ο T

Dengan A = A – A0 = pertambahan luas (m2),

A = luas akhir benda (m2)

Hubungan koefisien muai luas dengan koefisien muai panjang

Misalkan suatu persegi dengan sisi 1 m dipanaskan sampai suhunya naik 1 K.

Akibat pemanasan ini, sisi persegi bertambah panjang menjadi (1+) m, dengan

adalah koefisien muai panjang.

Luas awal persegi A0 = 1 m2

Luas akhir A = (1+)2 = 1 + 2 + 2

Pertambahan luas

A = A – A0

= (1+2+2) – 1

= 2+2

Koefisien muai luas:

β=

∆ AA0

∆T

¿

2α+α2

11

β=2α+α2

Oleh karena koefisien muai panjang (α) sangat kecil, maka α 2dapat diabaikan

terhadap 2α , sehingga kita peroleh hubungan antara koefisien muali luas ( β) dan

koefisien muai panjang ():

β=2α

Pemuaian Volum

Bila benda padat berbentuk balok dipanaskan,

akan terjadi pemuaian dalam arah memanjang, melebar,

dan meninggi. Dengan kata lain, benda padat mengalami

pemuaian volum. Pemuaian volum berbagai zat bergantung

pada koefisien muai volum.

Koefisien muai volum (γ ) suatu bahan adalah perbandingan pertambahan volum

terhadap volum awal benda (V0) per satuan kenaikan suhu (T). Secara matematis, γ

dinyatakan sebagai:

γ=

∆ VV 0

∆ T

∆ V =γ V 0 ∆T

Dengan ∆ V =V−V 0

V = volum akhir benda

Dengan cara seperti sewaktu kita menentukan hubungan koefisien muai luas dan

koefisien muai panjang, kita dapatkan koefisien muai volum adalah 3x koefisien muai

panjang.

γ=3α

Pemuaian Volum Zat Cair

Sifat zat cair adalah selalu mengikuti bentuk wadah yang ditempatinya. Jika air

dituangkan ke dalam botol maka bentuk air mengikuti bentuk botol. Jadi, wadah

berarti volum. Karena itu, zat cair hanya memiliki muai volum (tidak memiliki muai

panjang dan muani luas), sehingga untuk zat cair, yang diketahui selalu koefisien muai

volumnya.

Persamaan kuantitatif untuk muai volum zat cair

Persamaan untuk menghitung pemuaian volum zat cair persis sama dengan

persamaan untuk menghitung pemuaian volum zat padat. Hal terpenting yang perlu

anda tekankan adalah pemuaian volum zat cair lebih besar daripada pemuaian volum

zat padat untuk kenaikan suhu yang sama. Karena itu jika suatu wadah berisi zat cair

hampir penuh dipanaskan, maka pada suhu tertentu zat cair dalam wadah akan tumpah.

Apa yang dimaksud dengan anomali air?

Beberapa zat tidak selalu memuai jika

dipanaskan. Di antara suhu-suhu tertentu, zat

tersebut dapat menyusut. Jika kita mulai

memanaskan es pada suhur -10°C, maka es memuai sama seperti zat padat lainnya

sampai es mencapai suhu 0°C. Di antara suhu 0°C dan 4°C air menyusut dan mencapai

volum minimum pada suhu 4°C. Sewaktu menyusut, massa air tetap. Ini berarti massa

jenis air (=m/V) mencapai maksimum pada suhu 4°C (zat cair umumnya mencapai

massa jenis maksimum pada titik bukunya). Di atas 4°C air akan memuai jika

dipanaskan. Jadi, pada suhu di antara 0°C dan 4°C air menyusut dan di atas suhu 4°C

air memuai. Sifat pemuaian air yang tidak teratur ini disebut anomaly air (anomaly

berarti ketidakteraturan). Zat lain yang memiliki sifat anomaly seperti air adalah

paraffin dan bismuth.

Mengapa air memiliki sifat anomali?

Kristal zat padat pada umumnya disusun sedemikian rupa sehingga wujud

padatnya menempati (memiliki) volum yang

lebih kecil daripada wujud cairnya. Es memiliki

Kristal struktur terbuka(Gambar 6.13). Kristal

ini dibentuk oleh molekul-molekul air yang

membentuk sudut tertentu, dan gaya-gaya yang

mengikat molekul-molekul air bersama adalah paling kuat pada sudut tertentu

tersebut. Molekul-molekul air dalam struktur terbuka ini menempati volum yang lebih

besar daripada molekul-molekul air dalam wujud

cair.

Perubahan massa jenis yang terjadi jika

sebuah balik es pada suhu -10°C dipanaskan

sampai suhunya mencapai 100°C ditunjukkan

pada gambar 6.14. Pada grafik ini tampak bahwa massa jenis air mencapai maksimum

pada suhu 4°C.

Bagaimana kita menjelaskan grafik pada gambar 6.14 grafik melengkung

disebabkan oleh adanya dua jenis perubahan volume ketika es dipanaskan dari -10°C.

Pertama adalah berkurangnya volum karena runtuhnya (lepasnya) Kristal struktur

terbuka. Pada suhu kira-kira 10°C semua Kristal es runtuh. Grafik pada gambar 6.15a

menunjukkan berkurangnya volum karena runtuhnya Kristal es.

Pada saat yang sama, laju gerak partikel-partikel bertambah besar, sehingga

terjadi pemuaian. Pengaruh ini ditunjukkan pada grafik gambar 6.15b.

Jika grafik penyusutan (a) digabung dengan grafik pemuaian (b), maka didapatkan

grafik seperti pada gambar 6.15c (atau gambar 6.12).

Pemuaian gas

Dalam bagian ini kita batasi pembahasan kita hanya untuk menunjukkan bahwa

seperti halnya zat padat dan zat cair, gas juga mengalami pemuaian. Bagaimanakah

kita memperlihatkan bahwa gas memuai?

Ketika kamu memasukkan bagian bawah botol ke dalam ember atau baskom air

panas, udara dalam botol memuai. Ini menyebabkan balon mengembangkan (lihat

gambar 6.17b). Ketika bagian bawah botol kamu siram dengan air ledeng, suhu udara

berkurang. Udara menyusut dan menyebabkan balon mengempis (lihat gambar 6.17d).

Jelas demonstrasi ini menunjukkan bahwa udara (termasuk gas) memuai jika

dipanaskan.

Bagaimanakah persamaan kuantitatif untuk penunaian gas? Untuk jumlah gas

yang tetap, keadaan suatu gas dinyatakan oleh tiga variabel, yakni tekanan, volum, dan

suhu mutlaknya. Dengan demikian persamaan pemuaian gas melibatkan ketiga

variabel ini.