Materi IPA Kelas 7 Bab 3 Suhu, Kalor, dan pemuaian Kurikulum Merdeka

 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.

 

Read More