Pemuaian Zat Padat – Muai Panjang, Muai Luas, Muai Ruang

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu
atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian dapat
terjadi pada 3 jenis zat yaitu pemuaian pada zat padat, pada zat cair, dan
pada zat gas.

Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang (untuk satu
demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk tiga
dimensi).

A. Pemuaian Longitudinal / Pemuaian Linier Padatan

Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan alat
Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat Musschenbroek
dipanaskan maka batang logam akan bertambah panjang. Namun, pertambahan
panjang batang logam yang satu dengan yang lain berbeda. Artinya, tingkat
pemuaian logam-logam tersebut juga berbeda.

Logam yang paling besar
pemuaiannya akan mendorong jarum penunjuk hingga berputar paling jauh,
sedangkan logam yang pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk
berputar paling dekat. Jika digunakan batang logam aluminium, baja, dan besi,
maka logam aluminium memuai paling besar, sedangkan besi adalah logam yang
memuai paling kecil.

Alat Musschenbroek dapat menunjukkan bahwa:

1. Pemuaian dan pertambahan panjang zat padat jika dipanaskan

2. Pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu

3. Pemuaian zat padat sebanding dengan kenaikan suhunya

4. Pemuaian panjang zat padat ditentukan oleh koefisien muai panjang zat padat
   itu

Alat Musschenbroek

Pertambahan panjang 1m benda tiap kenaikan suhu 1°C ini disebut koefisien
muai panjang (∝). Jadi, koefisien muai panjang suatu benda adalah bilangan
yang menunjukkan pertambahan panjang suatu benda tiap satuan panjang jika suhu
benda tersebut naik 1°C. Dengan demikian, jika dinyatakan bahwa koefisien muai
panjang tembaga adalah 0,000017/°C maka berarti setiap 1 meter tembaga yang
suhunya dinaikkan 1°C akan bertambah panjang 0,000017 meter. Jika ditulis
dalam persamaan maka:

Atau bisa juga ditulis dalam bentuk :

aku_T = aku₀ {1+∝.ΔT}

Sebuah batang logam pada suhu T₁ panjangnya l₁ dan pada suhu T₂ panjangnya l₂. Dengan proses matematika dapat diperoleh persamaan sebagai berikut:

aku₂ = aku₁ {1 + ∝ (T₂-T₁)}

aku₂ = aku₁ {1+∝.ΔT}

Satuan koefisien muai panjang ini adalah …/°C atau …/°K.

B. Muai Luas Zat Padat

Pemuaian dalam zat padat sebenamya terjadi ke semua arah, yaitu memanjang,
melebar, dan menebal. Namun, pengukuran pemuaian panjang pada benda padat
sudah dianggap cukup memadai untuk mewakili pemuaian luas. Misalnya,
menghitung pemuaian luas sebuah benda yang berupa lembaran tipis berbentuk
persegi panjang dengan menghitung terlebih dahulu muai panjang dan muai
lebamya dengan persamaan yang berlaku pada pemuaian panjang.

Jika pada suhu T₁ luas benda tersebut adalah A₁ dan pada suhu T₂ luasnya A₂ maka berlaku persamaan muai luas dengan
pendekatan sebagai berikut:

A₂ = SEBUAH₁ {1 + 2∝ (T₂-T₁)} atau

A₂ = SEBUAH₁ {1 + β (T₂-T₁)}

A₂ = SEBUAH₁ {1 + b . ∆T}

= 2∝

β = koefisien muai luas

Dengan:

A₂ = Luas benda setelah dipanaskan (m²)

A₁ = Luas benda pertama (m²)

β = Koefisien muai luas (°C^-1 atau K^-1)

T₂ = Suhu benda setelah dipanaskan (°C atau K)

T₁ = Suhu benda awal (°C atau K)

Persamaan di atas cukup memadai untuk menghitung persoalan sederhana
sehubungan dengan pemuaian luas benda padat (terutama untuk benda-benda padat
dengan koefisien muai panjang yang kecil).

Koefisien muai luas zat padat adaiah bilangan yang menunjukkan pertambahan
luas suatu benda tiap satuan luas jika suhunya naik 1°C.

C. Muai Ruang / Muai Volume Zat Padat

Muai apa yang terjadi pada benda yang berbentuk pipa dan
berbentuk keping? Bagaimana pada benda yang berbentuk bola? Untuk membuktikan
adanya muai ruang pada benda yang berbentuk bola dapat menggunakan alat yang diciptakan Makam Willem.

Jika bola dipanaskan, bola memuai, volumenya bertambah besar sehingga tidak
dapat masuk ke dalam gelang. Setelah beberapa saat, gelang ikut panas dan bola
dapat masuk kembali ke dalam gelang. Itu berarti, panas pindah dari bola ke
gelang dan diameter gelang membesar.

Dengan gelang Willem ‘s Gravesande dapat dibuktikan bahwa:

1. Zat padat jika dipanaskan akan memuai dan volumenya bertambah besar

2. Pemuaian benda berongga akan memperbesar rongganya (arah pemuaiannya keluar
   rongga)

3. Panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya.

Dikelola Gravesande

Pemuaian volume zat tergantung jenis zat padatnya. Sebuah benda padat pada
suhu °C volumenya V₁pada suhu T°C, volumenya V₂.

Pertambahan volume tiap satuan suhu benda padat adalah:

Bilangan yang menunjukkan pertambahan volume suatu benda tiap satuan volume
jika suhunya naik 1°C disebut koefisien muai ruang (γ).

Persamaan di atas dapat diubah menjadi persamaan berikut ini:

V₂ = V₁ (1 + γΔT)

Jika volume benda padat pada T₂ adalah V₁dan volume pada
T₂ adalah V₂ kemudian terjadi:

Untuk benda padat yang nomor massanya sangat kecil berlaku persamaan:

Hubungan antara koefisien muai ruang (γ) dengan koefisien muai panjang (∝)
dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:

= 3∝

Pada konstruksi jembatan, pada setiap sambungan diberikan ruang kosong (spasi)
yang berfungsi untuk menghindari tekanan antara bagian jembatan dengan jalan
akibat terjadinya pemuaian zat padat.