15.15.00
Apersepsi
Pernahkah kalian melihat balon udara? Balon udara merupakan sebuah teknologi penerbangan pertama yang dibuat oleh manusia. Teknologi ini ditemukan oleh Montgolfier bersaudara di Prancis pada tahun 1783. Balon udara terdiri dari tiga bagian, yakni envelope, burner, dan basket. Envelope adalah bagian balon udara yang mengembang atau yang berbentuk balon. Bagian ini terbuat dari bahan nilon yang dilapisi bahan anti api. Adapun Burner berbentuk seperti kompor yang mengeluarkan api. Burner-lah yang mengatur suhu udara agar bisa lebih ringan dari udara di sekitarnya, sehingga balon bisa terbang. Sementara bagian yang ketiga adalah Basket, yaitu bagian tempat penumpang.
Gambar. Balon Udara
Lalu, bagaimana cara kerja balon udara sehingga dapat
terbang? Udara di dalam envelope akan dipanaskan oleh api yang dihasilkan
burner. Selain suhunya naik, udara yang dipanaskan akan memuai sehingga
volumenya bertambah. Karena volume bertambah, sementara massanya tetap, maka
massa jenis udara di dalam envelope tetap, maka massa jenis udara di dakal
envelope menjadi lebih kecil daripada massa jneis udara di luar envelope. Nah,
karena massa jenisnya lebih kecil, maka balon udara dapat terangkat dan terbang.
Jadi, prinsip kerja balon udara tekait dengan suhu, kalor, dan pemuaian. Ketiga
hal ini akan kita bahas dalam bab ini.
A.
Suhu
Apa yang ada di dalam benak kalian jika mendengar
banyak orang pada saaat ini perlu diukur suhu tubuhnya? Kenapa suhu pada tubuh seseorang
atau suatu benda penting untuk diketahui?
Cobalah kalian menggosok-gosokokan kedua telapak tangan
selama kurang lebih satu menit. Setelah itu, tempelkan salah satu telapak
tangan tersebut ke pipi. Apakah kalian merasakan hangat atau sedikit panas?
Jika kalian belum merasakan hangat di pipi, kalian boleh mengulangi menggosok
telapak tangan dengan sedikit lebih lama. Rasa hangat yang kalian rasakan di
pipi itu adalah yang kita kenal sebagai suhu.
1.
Jadi,
Apa yang Dimaksud Dengan Suhu?
Suhu pada dasarnya adalah besaran fisika yang hanya
dapat dirasakan oleh indra Tubuh manusia dapat merasakan suhu dalam bentuk rasa
panas atau dingin. Saat kalian menempelkan telapak tangan ke pipi atau saat
bermain di tengah terik Matahari, kulit terpapar sinat Matahari yang menyengat
dan kemudian otak memberikan informasi rasa panas. Pun, ketika minum air es,
otak kita memberikan respon informasi pengalaman rasa dingin. Tampak di sini
bahwa suhu adalah ukuran derajat atau tingkat panas suatu benda.
Saat malam hari menjelang tidur, ibu kalian menyimpan
makanan ke dalam lemari es atau kulkas agar dapat dimakan kembali esok harinya.
Mengapa lemari es membuat makanan jadi lebih awet? Apakah ada kaitannya dengan
nilai suhu yang tinggi atau rendah itu? Kalian dapat menanyakan dan
mendiskusikan perihal tersebut kepada orang tua kalian di rumah.
Lemari es atau lemari pendingin adalah contoh betapa
pentingnya besaran suhu di dalam kehidupan sehari-hari maupun dalam ilmu
pengetahuan dan teknologi.
|
Aktivitas Mengenali Suhu Bagian Tubuh Cobalah letakan punggung telapak tangan kalian pada
beberapa bagian tubuh seperti pipi, kening, leher, bahu, ketiak, dan rambut.
Apakah kalian merasakan panas yang berbeda dari bagian tubuh tersebut? Bagian
mana yang dirasakan paling panas? Mengapa bisa demikian? Apakah kalian dapat
membedakan secara akurat besarnya suhu yang dirasakan pada masing-masing
bagian tubuh tersbtu?  Gambar. Seorang anak sedang mengukur suhu tubuhnya. |
Benda yang panas mempunyai derajat panas lebih tinggi
daripada benda yang dingin. Aktivitas
menunjukan bahwa indra perasa memang dapat merasakan tingkat panas
bagian tubuh. Akan tetapi, indra perasa bukan pengukur tingkat panas yang baik.
Benda yang tingkat panasnya sama dirasakan berbeda oleh punggung tangan kanan
dan kiri kalian. Jadi, suhu benda yang diukur dengan indra perasa seperti kulit
menghasilkan ukuran yang tidak dapat dipakai sebagai acuan atau tidak pasti.
Bagaimana kita mengetahui secara akurat suhu tubuh seseorang ketika ia
menunjukan gejalan demam?
Untuk itulah suhu arus diukur dan dinyatakan secara
pasti dengan angka serta alat ukur suhu yang memiliki skala atau ukuran.
2.
Mengapa
kita memerlukan Alat Ukur Suhu?
Selain mengatahui suhu tubuh secara pasti, bagaimana
kita mengetahui suhu yang pas untuk menyimpan makanan di lemari es? Pada suhu
berapa daging yang dimasak sudah dapat dimakan dengan aman bagi tubuh? Untuk
beberapa informasi penting tersebut kita memerlukan informasi nilai suhu dengan
akurat melalui alat pengukuran yang telah teruji dan diakui.
Alat yang digunakan untuk mengukur suhu dinamakan termometer. Prinsip kerja dari
termometer adalah keseimbangan derajat suhu. Termometer akan menerima suhu dari
lingkungan sekitar/benda yang akan diuji. Secara alamiah, suhu akan mengalir
dari derajat yang lebih tinggi ke derajat yang lebih rendah. Konsep ini dikenal
juga sebagai Azas Black atau juga Hukum 1 Termodinamika.
Apakah semua termometer sama jenisnya? Tidak, temometer
dapat dibuat dalam berbagai jenis. Jenis-jenisnya akan disesuaikan dengan
kegunaannya masing-masing. Jangkauan pengukuran satu termometer dengan
termometer lainnya berbeda. Sesuai dengan tujuan dan di mana termometer itu
akan digunakan.
|
|
|
|
 Termometer tubuh |
 Termometer laboratorium |
 Termometer industri |
Termometer yang digunakan untuk mengukur suhu tubuh
hanya memiliki skala di sekitar 300C – 500C. Mengapa
demikian? Penyebabnya adalah karena tidak ada manusia yang memiliki suhu tubuh
di bawah 300C dan di atas 500C. Berbeda jika kita ingin
mengukur suhu tungku peleburan pada pabrik besi yang bisa mencapai 1.0000C.
berbeda pula termometer yang dapat mengukur suhu lemari es yang dapat mencapai
suhu rendah -100C. Karena pada suhu rendah tersebut memungkinkan
bakteri tidak tumbuh di dalam makanan. Tumbuhnya berbagai macam bakteri pada
makanan akan menyebabkan makanan menjadi busuk atau basi.
Untuk lebih memahami materi mengenai suhu,
perhatikanlah judul berita daring berikut ini.
|
Akurat.Co, Hasil
penelitian terbaru menunjukan bahwa virus corona COVID-19 mampu bertahan lama
dari paparan suhu tinggi. Dilansir dari Asia One pada Rabu (15/4), hasil
penelitian teranyar tersebut disampaikan oleh Profesor Remi Charrel dan
rekan-rekannya dari Universitas Aix-Marseille, Prancis. Mereka mengklaim bagaimana SARS-CoV-2 masih mampu
hidup meski mereka telah menaaskan virus dengan suhu mencapai 140bderajat
Fahrenheit atau 60 derajat Celsius. Upaya pemanasan itu berlangsung hingga
satu jam. Setelah ditempatkan pada lingkungan panas, alih-alih
mati, beberapa strain atau galur virus dilaporkan masih mampu membuat
replika. |
Pada berita tersebut tertulis “mereka telam memanaskan
virus dengan suhu mencapai 140 derajat fahrenhaeit atau 60 derajat Celcius”
Kenapa tertulis 140 derajat Fahrenheti? Apakah
Fahrenheit adalah skala suhu? Jika fahrenheti adalah skala suhu, kenapa bukan
dinyatakan dakam derajat Celcius (0C) saja seperti yang sering
kalian denganr di Indonesia? Kenpa nilainya berbeda?
3.
Mengapa
Kita Perlu Mengetahui Skala Suhu?
Contoh di atas adalah pentingnya kita memahami
perbedaan skala suhu yang ada dan diakui oleh dunia. Kita juga perlu mengetahui
skala suhu apa yang disepakati oleh seluruh ilmuwan dan masyarakat di dunia.
Tujuannya adalah agar tidak terjadi kesalahpahaman fatal berkaitan dengan
derajat panas yang dimaksud sebenarnya.
Ilmuwan yang terdapat pada berita tersebut beral dari
negara Perancis. Secara kultur budaya, informasi mengenai angka suhu di benua
Eropa disampaikan melalui skala Fahrenheit (0F). Masyarakat di sana juga
lebih menegnal ‘rasa’ dari derajat Fahrenheit. Jika kalian berkesempatan
berkunjung ke negara-negara di Eropa atau Amerika Seikat, maka kalian tidak
akan mendapati informasi suhu dalam skala Celcius seperti halnya di Indonesia.
Kalian akan kesulitan menentukan panas atau dinginnya suatu ruang atau benda
yang kalian pegang.
Untuk itu kita membutuhkan ukuran pembanding atau yang
dikenal sebagai skala. Skala suhu menunjukan seberapa besar nilai suhu benda
yang sedang diukur. Kemudian, agar semua orang di seluruh dunia menyimpulkan
nilai suhu yang sama maka perlu ditetapkan skala suhu secara internasional.
Skala suhu yang disepakati oleh ilmuwan dan diakui dunia. Banyak skala suhu yag
telah diusulkan para ahli
4.
Bagaiaman Menentukan Skala Suhu?
Pada saat menentukan skala suhu, maka orang perlu
menentukan dua peristiwa di mana suhunya ditetapkan terlebih dahulu. Dua
peristiwa tersebut harus dapat dihasilkan ulang secara mudah dan teliti
dimanapun berada. Dua peristiwa yang sering digunakan sebagai acuan penetapan adalah peleburan es pata tekanan normal dan
air mendidih pada tekanan noramal (satu atmosfer).
|
|
|
 (a) |
 (b) |
Gambar. (a) suhu peleburan es (b)
suhu didih air
|
Aktivitas Temometer dengan Skala Suhu Termometer sesungguhnya dapat kalian buat secara
mandiri di sekolah ataupun di rumah. Perhatikanlah gambar berikut ini.  Gambar. Termometer Sederhana Kalian bisa menyediakan alat dana bahan secara
mandiri. Sesuaikan dengan bahan yang kalian miliki yang sesuai dengan
peruntukannya. Bahan cairan apa saja yang kalian perlukan? Kalian bisa
mencari tahu, beberapa cairan tersebut dengan air secukupnya. Jumah
masing-masing cairan dapat kalian tentukan sendiri atau kalian bisa bertanya
guru atau orang tua di rumah. Kemudian bagaiman cara kalian menentukan titik bawah
dan titik atas termometer kalian sendiri? Berapakah angka terkecil dan
terbesar yang kalian tuliskan pada skala suhu termometer buatan kalian?
Bendingkanlah dengan termometer ruangan yang kalian miliki di rumah atau
disekolah. |
Aktivitas yang telah kalian lakukan merupakan metode
atau teknik yang juga dilakukan untuk menentukan skala pada termometer yang
diakui dunia hingga saat ini. Dengan cara demikian, ilmuwan-ilmuwan yang
bernama Celcius, Fahrenhait, dan Reamur membuat skala termometernya
masing-masing.
Cara penetapan skala suhu Celcius tidak beda jauh dengan cara penentuan skala suhu Reamur. Skala rendah suhu Celcius dan Reamur ditetapkan sama yaitu sebagai suhu es murni yang sedang melebur pada tekanan satu atmosfer sebesar suhu 0 derajat. Sedangkan skala tertinggi yaitu suhu air murni yang sedang mendidih pada tekanan satu atmofer diterapkan sebagai suhu 80 derajat untuk Reamur dan 100 derajat untuk Celcius.
Penetapan skala suhu Fahrenhait sedikit berbeda dengan
penetapan skala Celcius dan Reamur. Skala suhu terendah Fahrenhait ditetapkan
dari suhu es murni yang sedang melebur pada tekanan satu atmosfer sebagai suhu
32 derajat. Suhu tertinggi pada air murni yang sedang mendidih pada tekanan
satu atmosfe deterapkan sebagai suhu 212 derajat. Jadi, ketika kalian
memanaskan es yang sedang melebur sehingga menjadi air yang sedang mendidih
pada tekanan 1 atmosfer maka kita menaikkan suhu sebesar (212 – 32) = 180
derajat skala Fahrenheit, atau 1800F.
Jika suhu zat terus didinginkan maka zat tersebut akan
berubah wujud dari gas menjadi cair, lalu berubah menjadi padat. Jika diturunkan
terus menerus maka getaran atom-atom dalam zat makin lambat. Ketika diturunkan
lagi maka atom-atom zat tidak bergerak lagi atau diam. Untuk semua zat yang ada
di alam semesta didapatkan bahwa suhu ketika semua partikel tidak bergerak lagi
sama dengan -2730C. Skala Kelvin menggunakan nol mutlak, tidak
menggunakan “derajat” (tidak dituliskan dalam satuan derajat). Pada suhu nol
Kelvin, tidak ada energi panas yang dimiliki benda. Kelvin merupakan skala suhu
dalam SI. Dengan demikian, hubungan antara skala kelvin dan celcius adalah
Skala kelvin = Skala celcius + 273
Perbedaan antara keempat skala suhu di atas adalah pada
titik tetap bawah dan titik tetap atas pada skala termometer tersebut seperti
yang ditunjukan pada gambar
Gambar. Titik tetap bawah dan titik
tetap atas
5.
Perbandingan Skala Suhu
Agar lebih mudah kalian dapat menuliskan perbandingan
skala suhu adalah sebagai berikut.
Perbandingan di atas dapat digunakan untuk menentukan
konversi skala suhu. Sebagai contoh, konversi skala suhu dari Celcius ke
Fahrenheit.
A.
Kalor
Cobalah kalian mendekati salah satu jendela yang ada di
kelas pada waktu siang hari yang terik. Pilihlah posisi di dekat jendela di
mana sinar Matahari paling optimal ditangkap oleh kulit tangan kalian. Apakah
kalian merasakan panas? Mengapa kulit kalian merasakan panas? Mengapa sinar
matahari pada siang hari menyebabkan kulit terasa panas? Apa yang dihantarkan
atau di bawah sinar Matahari sehingga kulit terasa panas
1.
Apakah
Kalor Itu Sama dengan Suhu?
Selain percobaan sederhana di atas, kalian mungkin
pernah atau duduk-duduk bersama teman di dekat api ungun lalu badan kalian
terasa hangat? Mengapa bisa demikian? Ketika itu energi yang menyebabkan panas
yang dibawa oleh sinar Matahari maupun api unggun mengalir ke kulit kalian .
Energi tersebut mengalir dari benda bersuhu tinggi (api
unggun) ke benda bersuhu rendah (kulit). Energi tersebut dikenal sebagai kalor. Kalor secara alamiah mengalir
dari benda bersuhu lebih tinggi (panas) ke benda yang bersuhu lebih rendah
(dingin). Kalor tidak sama dengan suhu. Suhu adalah sifat suatu benda yang
muncul setelah diberikan energi kalor. Terlepas benda tersebut suhunya menjadi
tinggi atau tidak.
Kalor di ukur dalam satuan kalori. Satu kalori adalah
jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk menaikan suhu 10C dari 1
gram air. Satuan kalor dalam SI adalah joule. Satu kalori sama dengan 4,184
Joule, dan sering dibulatkan menjadi 4,2 Joule.
2.
Kenapa
Benda yang Berbeda Nilai Suhunya tidak Sama Ketika Di berikan Kalor yang Sama
Pernahkah kalian memperhatikan di siang hari yang
begitu terik, air yang berada di kolam, sungai atau danai tetap tersa dingin?
Sedangkan aspal di jalan terasa begitu panas? Sedangkan aspal di jalan terasa
begitu panas? Padahal mendapatkan terik Matahari yang sama. Mengapa bisa
demikian? Apakah masing-masing benda atau zat memiliki kemampuan menyerap kalor
yang berbeda-beda?
Air termasuk zat yang memiliki kalor jenis tinggi yang
dapat menyerap banyak energi kalor dengan hany sedikit perubahan suhu. Apa itu
kalor jenis? Kalor jenis adalah jumlah energi panas yang diperlukan oleh 1 kg
bahan tertentu untuk menaikan suhunya sebesar 1 Kelvin.
Setiap bahan atau zat memiliki kalor jenis yang
berbeda. Satuan kalor jenis adalah Joule per kilogram per Kelvin [J/(kg.K)],
atau dalam Joule perkilogram per derjat Celsius [J/(Kg.C)]. Mengapa bisa sama?
Hal ini dikarenakan bahwa perubahan suhu 1 Kelvin sama dengan 1 derajat
Celsius.
Menurut kalian kenapa masing-masing benda bisa memiliki
kalor jenis yang berbeda-beda? Apakah ada hubungannya dengan atom-atom atau
molekul benda atau zat tersebut?
Tabel.
Kalor Jenis Beberapa Bahan
|
Bahan |
Kalor Jenis [J/(kg.K)] |
|
Air |
4.184 |
|
Alkohol |
2.450 |
|
Aluminium |
920 |
|
Karbon |
710 |
|
Pasir (Grafit) |
664 |
|
Besi |
450 |
|
Tembaga |
380 |
|
Perak |
235 |
Tabel di atas menunjukan bahwa kalor jenis air lebih
tinggi dibandingkan dengan kalor jenis beberapa bahan lainnya. Air, alkohol dan
bahan-bahan lain yang memiliki kalor jenis tinggi dapat menyerap banyak energi
panas dengan sedikit perubahan suhu.
3.
Bagaimana Menghitung Besar Kalor?
Keluarga kalian memiliki daging sapi mentah yang begitu
banyak. Daging tersebut tidak akan habis dimasak dan dimakan oleh keluarga
kalian sampai dua hari. Orang tua kalian kemudian menyimpannya di dalam lemari
es agar daging tersebut awet. Informasi apa yang diperlukan oleh orang tua
kalian agar penyimpanan daging tersebut sesuai yang diharapkan? Adakah hubungan
dengan suhu dan kalor?
Pada suhu berapa daging sapi tersebut di simpan di
lemari es agar tetap awet selama beberapa hari? Bagaimana kita dapat mengetahui
energi panas yang dilepasakan untuk mendapatkan suhu tersebut? Penurunan suhu
karena disebabkan lepasnya kalor pada suatu benda tidak dapat diukur secara
langsung.
Sekarang anggap saja daging sapi tersebut 10 kg dan suhu
ruang adalah sekitar 270C. Agar daging tersebut membeku diperlukan
suhu sebesar -100C. kalian dan orang tua kalian sebenarnya sudah
memiliki cukup informasi untuk menemukan kalor yang dikeluarkan oleh daging
menggunakan persamaan di bwah ini.
m adalah massa daging, c adalah kalor jenis daging dan Δ (baca: delta) berarti “perubahan”
jadi “delta T” adalah perubahan
suhu. “Perubahan yang ditunjukan oleh Q,
merupakan simbol perubahan energi panas (benda menerima kalor atau melepas
kalor).
Apabila delta T
positif, Q juga positf. Ini berarti bahwa benda mengalami kenaikan suhu dan
mendapat energi panas (menerima kalor). Apabila delta T negatif, Q juga negatif. Benda kehilangan energi panas
(melepas kalor) dan mengalami penurunan suhu.
Pada kasus daging sapi di atas adalah peristiwa melapas
enegri panas. Ayo kita hitung kalor yang dilepaskan daging sapi tersebut.
Langkah-langkah penyelesaian yang dapat kalian lakukan adalah sebagai berikut.
Untuk membekukan daging hingga suhu -100C
diperlukan energi sebesar 1.295 kJ. Besar energi tersebut dapat dikonversi
menjadi besaran energi listrik, sehinggga kalian mengetahui berapa besar
listrik yang diperlukan pada lemari es yang diperlukan untuk membekukan daging
sapi tersebut.
4.
Perpindahan Kalor
Pada aktivitas di atas. Kalian telah mendapati bahwa
nyala masing-masing batang korek berbeda-beda. Mengapa bisa terjadi demikian?
Apakah kalian menemukan perpindahan kalor dari api lilin ke ujung batang korek?
Bagaimanakah cara kerjanya?
Jika kalian perhatikan lebih teliti pada percobaan di
atas. Terdapat beberapa cara perpindahan kalor yang terjadi. Pada dasarnya
kalor berpindah melalui tiga cara yang disebut konduksi, konveksi, dan radiasi.
Berikut akan diuraikan ketiga cara perpindahan kalor
tersebut. Coba pahami dengan seksama perbedaan di antara ketiganya.
a. Konduksi
Saat kalian menyetrika baju, bagian bawah setrika yang
panas bersentuhan langsung dengan kain. Kalor berpindah dari bagian bawah
setrika yang terbuat dari logam ke kain. Perpindahan kalor seperti ini disebut
konduksi. Perhatikan mekanisme perpindahan kalor secara konduksi pada gambar.
Gambar. Perpindahan kalor secara
konduksi pada logam.
Konduksi merupakan perpindahan panas melalui suatu bahan tanpa
disertai dengan perpindahan partikel-partikel pada bahan tersebut. Benda yang
jenisnya berbeda memiliki kemampuan menghantarkan panas secara konduksi
(konduktivitas) yang berbeda pula.
Bahan yang mampu menghantarkan panas dengan baik
disebut konduktor. Bahan yang menghantarkan panas dengan buruk disebut
isolator. Seperti pada bagian bawah setrika, bahan logam termasuk konduktor.
Kayu dan plastik termasuk isolator.
Berbagai peralatan rumah tangga yang memanfaatkan sifat
konduktivitas bahan, terlihat pada gambar berikut ini.
Gambar. Berbagai benda a) konduktor
dan b) isolator
b. Konveksi
Telah kita ketahui bahwa air merupakan bahan isolator.
Namun, ketika memasak air, setelah bagian bawah panci dipanaskan beberapa saat,
ternyata permukaan air juga ikut panas bahkan mendidih. Hal tersebut menunjukan
bahwa air dapat menjadi konduktor panas ketika diberikan kalor yang cukup.
Berarti, ada cara perpindahan atau konduksi. Perpindahan kalor yang seperti itu
dikenal sebagai konveksi.
Gambar. Konveksi Saat Memasak Air
Saat air bagian bawah mendapatkan kalor dari pemanas,
kumpulan partikel air memuai sehingga menjadi lebih ringan dan bergerak naik,
digantikan dengan partikel air dingin (yang lebih berat) dari bagian atas.
Dengan cara ini, panas dari air bagian bawah berpindah bersama aliran air
menuju bagian atas. Proses perambatan energi panas pada air tersebut ini
disebut konveksi. Pola aliran partikel air tersebut membentuk arus konveksi.
Konveksi adalah perpindahan kalor dari satu bagian ke bagian
yang lain bersama dengan gerak fisik dari partikel-partikel bendannya. Konveksi
juga dapat terjadi pada aliran udara panas atau asap yang dihasilkan oleh nyala
api. Ingatkah kalian saat membakar kayu ketika api unggun? Asap dari hasil
pembakaran kayu tersebut membuat suhu udara di atasnya menjadi lebih panas.
c. Radiasi
Saat kalian bermain bersama kawan di tengah hari yang
cerah, kalian merasakan panasnya Matahari pada wajah kalian. Bagaimana kalor
yang dipancarkan Matahari dapat sampai ke wajah kalian? Bukankah jaraknya
berjuta-juta kilometer dan melewati ruang hampa udara? Dalam ruang hampa tidak
ada materi yang dapat memindahkan kalor secara konduksi dan konveksi. Jadi,
perpindahan kalor dari Matahari sampai ke Bumi dengan cara lain. Cara tersebut
dinamakan radiasi. Radiasi adalah
perpindahan kalor tanpa membutuhkan zat perantara atau medium.
Gambar. Kalor berpindah dari Matahari
hingga ke Bumi melalui Radiasi
A. Pemuaian
Kalian telah mengukur bahwa kalor adalah bentuk energi
yang dapat meningkatkan suhu suatu benda menjadi lebih panas. Adakah sifat
benda lainnya yang dapat dipengaruhi oleh kalor?
Cobalah kalian perhatikan jendela yang ada di ruang
kelas. Kaca-kaca yang terpasang di jendela tersebut apakah dipasang dengan pas
atau dibuat sedikit longgar dari dudukanya (misalnya besi atau kayu)? Mengapa dilakukan
demikian? Apakah ada hubungannya dengan bertambah panjang atau luasnya kaca
atau besi dudukan tersebut?
1. Apakah
Pemuaian Itu?
Pemasangan kaca dan jendela yang kalian perhatikan tadi
berkaitan dengan apa yang disebut sebagai pemuaian.
Contoh peristiwa pemuaian lainnya adalah perubahan naik turunnya air raksa pada
termometer ruang, pemasangan kaca dan keramik yang agak longgar, gelas yang
pecah karena ditaruh air yang sangat panas, dan balon udara yang bisa terbang. Apakah
pemuaian itu? Apakah ada hubungannya dengan kalor?
Pemuaian terjadi di kehidupan kita sehari-hari, baik di
sadari maupun tanpa kita sadari. Pemuaian adalah peristiwa memuai, dimana suatu
benda ukurannya membesar, baik panjang, lebar, tinggi, luas, maupun volume yang
dipengaruhi kalor. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas.
Menurut kalian, apakah benda yang satu dengan yang
lainnya memiliki besar pemuaian yang sama atau berbeda? Tentu saja berbeda. Ada
benda yang sangat mudah memuai sehingga kenaikan suhu sedikit saja sudah cukup
membuat ukuran benda yang dapat diamati mata. Sebaliknya ada benda yang sulit
memuai sehingga suhu bertambah cukup besar, ukuran benda hampir tidak mengalami
perubahan.
Cara mengukur besarnya pemuaian pada benda-benda akan
kita bahas pada subbab ini. Dengan mengetahui nilai pemuaian secar detail, kita
dapat memikirkan aplikasi sifat pemuaian tersebut yang bermanfaat untuk
manusia.
2. Pemuaian
Zat
Pernahkah rumah kalian mati lampu dikarenakan terjadi
pembebanan listrik karena memasang alat-alt rumah tangga yang terlalu banyak? Atau
terjadi konsleting pada kabel di atap rumah yang menyebabkan mati lampu agar
tidak terjadi kebakaran di rumah? Tahukah kalian mengapa bisa terjadi mati
lampu atau putus arus listrik di rumah? Tahukah kalian mengapa bisa terjadi
mati lampu atau putus arus listrik di rumah? Apakah ada alat khusus yang mampu mengatur
secara mandiri jika terjadi pembebanan berlebih atau hubungan pendek pada
rangkaian listrik? Mari kita cari tahu pada bagian ini dengan antusias.
Secara alamiah jika suatu benda dipanaskan maka akan
terjadi pemuaian. Sebaliknya, jika benda didinginkan, atau suhu panas menurun
maka akan terjadi penyusutan. Pada tingkat yang lebih kecil atau molekuler atau
atomik, apa yang terjadi ketika benda padat, misalnya logam, dipanaskan? 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
segalah. Pemuaian ini menyebabkan volume logam bertambah besar dan kerapatannya
menjadi berkurang.
Atas dasar itulah, para ahli konstruksi dan desain bangunan,
jembatan, dan jalan raya harus memperhatikan sifat pemuaian dan penyusutan
bahan karena perubahan suhu. Seperti pemasangan besi pada jembatan maupun rel
kereta api tidak boleh disusun terlalu rapat dan perlu ada rongga. Tujuannya agar
besi tidak melengkung saat siang hari atau suhu panas, sehingga bisa mencegah
terjadinya kecelakaan. Atas dasar itu lah pula ahli listrik membuat alat yang
dinamakan bimetal (logam ganda) yang menjadi bagian dari alat pemutus aliran listrik
atau sekring dibuat sehingga membuat rumah klian mati lampu jika terjadi arus
pendek. Apakah kalain tahu cara kerja bimetal?
Gambar. Sambungan Rel Kereta Api
dibuat berongga
Ayo
Buat Aktivitas
Bimetal Sederhana
Dua
lapis selotip yang salah satunya terbuat dari kertas saling menempel adalah
bimetal sederhana yang akan kalian buat. Perhatikan gambar berikut.
Gambar. Percobaan Bimetal Sederhana
Saat
salah satu bagian diberikan panas dari api, ke arah mana pita membengkok? Mengapa
pita ganda tersebut (bimetal buatan) membengkok ketika dipanaskan? Jika pita
tunggal yang dipanaskan, akan membengkokkah? Apa yang akan terjadi jika dua
potong yang sama jenisnya ditempelkan satu dengan yang lain dipanaskan?
Aktivitas yang telah kalian lakukan di atas adalah
percobaan sederhana dari sistem kerja bimetal (Gambar di bawah) yang dibuat berdasarkan
sifat pemuaian zat padat. Bimetal antara lain dimanfaatkan pada termostat atau
sekering listrik. Termostat adalah sistem alat yang dapat memutus atau
menyambung arus listrik.
Gambar. Keping Bimetal
3. Pemuaian
Panjang
Pemuan panjang adalah yang terjadi pada satu bagian
sisi pada benda, misalnya pemuaian yang terjadi pada panjang suatu logam. Apakah
jenis logam yang berbeda mengalami pemuaianny berbeda atau sama? Tentu saja
berbeda. Antara logam aluminium, tembaga maupun baja, ketika dipanaskan mana
yang lebih cepat memuai? Perhatikan nilai koefisien muai panjang yang tertulis
dalam tabel.
Tabel.
Koefisien Muai Panjang Beberapa Jenis Logam
|
Jenis Logam |
Koefisien Muai Panjang (α) (/0) |
|
Kaca Biasa |
0,000009 |
|
Kaca Pyrex |
0,000003 |
|
Alumunium |
0,000026 |
|
Kuningan |
0,000019 |
|
Baja |
0,000011 |
|
Tembaga |
0,000017 |
Katikan dengan hasil pengamatan kalian. Logam yang
paling cepat memuai, memiliki koefisien muai panjang paling besar atau paling
kecil?
4. Pemuaian
Luas
Pemuan luas adalah pemuaian yang terjadi pada kedua
arah sisi-sisi benda. Pemasangannya pelat-pelat logam selalu memperhatikan
terjadinya pemuaian luas. Pemuaian luas memiliki koefisien muai sebesar dua
kali koefisien muai panjang. Berdasarkan data tabel. Lempengan baja memiliki
koefisien muai luas sebesar 0,000022/0C. Kita tinggal menghitung dua
kali dari koefisien panjang baja.
Gambar. Dudukan jendela dibuat
lembar, untuk antisipasi pemuaaian luas.
Bagaimana pemuaian benda-benda yang berdimensi tiga (memiliki
jangkauan pandang mencakup panjang, lebar, dan tinggi) jika dipanaskan? Misalkan
saja balok baja, kacca jendela, atau lainnya yang kalian temukan sehari-hari. Pemuaian
ruang memiliki muai tiga kali koefisien muai panjang. Balok baja bila dipanaskan
akan memuai dengan koefisiean mua sebesar 0,000033/0C.
5. Pemuaian
Zat Cair
Zat cair juga mengalami pemuaian ketika dipanaskan. Zat
cair relatif lebih mudah teramati dibanding zat padat. Salah satu contohnya
adalah pembuatan termometer yang memanfaatkan sifat pemuaian zat cair di
dalamnya. Dapatkah kalian menjelaskan mengapa alkohol dan air raksa dipilih
sebagai pengisi pipa kapiler dalam termometer?
6. Pemuaian
Zat Gas
Seperti halnya zat cair, gas juga akan mengalami
pemuaian jika diberikan kalor dalam jumlah tertentu. Sifat pemuaian gas dapat
kita manfaatkan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya untuk menerbangkan balon
udara, memompa ban sepeda tidak perlu terlalu kencang dan jangan meletakkan
balon ditempat yang panas.
