Pemuaian Lingkaran Berongga Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016

889 R R Pemanasan Suhu T Suhu T r r Gambar 11.44. Lingkaran berongga yang mengalami pemanasan dari suhu T menjadi suhu T. R r Gambar 11.45 Lingkaran berongga digunting sehingga menyerupai pita yang dilekukkan. Pertambahan panjang sisi dalam dan sisi luar lingkaran memenuhi   R R R R R L            2 2 2 2 11.33 dan   r r r r r l            2 2 2 2 11.34 890 Jika kita gabung persamaan 11.31 dan 11.33 maka diperoleh   T R R    2 2    , atau T R R     11.35 Jika kita gabung persamaan 11.32 dan 11.34 maka diperoleh   T r r    2 2    , atau T r r     11.35 Jadi, baik jari-jari dalam maupun jari-jari luar bahan mengalami pemuaian seperti pemuaian panjang. Mengapa gelas kaca pecah ketika dimasukkan air panas secara tiba- tiba? Untuk menjelaskannya, perhatikan Gambar 11.46 yang merupakan pandangan gelas dari atas dari mulut gelas. Bentuk gelas seperti sebuah cakram berlubang yang memiliki ketebalan sangat kecil tebal dinding gelas R r Suhu T Suhu T R r Suhu T Suhu T Gambar 11.46 Gelas dipandang dari atas. Gambar kiri adalah kondisi sebelum memasukkan air panas dan gambar kanan adalah kondisi saat memasukkan air panas. Sebelum memasukkan air panas, suhu permukaan dalam dan permukaan luar gelas sama-sama T . Begitu memasukkan air panas maka suhu permukaan dalam menjadi T sedangkan suhu permukaan luar masih T . Akibatnya bagian gelas di sekitar permukaan dalam segera memaui sedangkan bagian sekitar permukaan luar untuk sesaat belum memuai. 891 Sebelum memasukkan air panas, suhu permukaan dalam dan permukaan luar dinding gelas persis sama yaitu T . Ketika dimasukkan air panas secara tiba-tiba maka permukaan dalam gelas menglami peningkatan suhu secara tiba-tiba sedangkan permukaan luar sesaat masih berada pada suhu T . Hal tersebut disebabkan daya hantar panas gelas cukup jelek. Suhu di permukaan dalam jauh lebih tinggi daripada suhu permukaan luar dinding. Akibatnya, jari-jari permukaan dalam gelas cenderung bertambah sesuai dengan persamaan 11.35 sedangkan jari-jari permukaan luar belum akan bertambah. Perbedaan ini menyebabkan adanya desakan dari permukaan dalam ke arah luar dan desakan tersebut berwujud sebagai gaya dorong ke arah luar yang menyebabkan dinding gelas pecah. Karena gaya dorong arahnya ke luar maka pecahan gelas terlempar ke arah luar.

11.24 Mengapa Zat Memuai

Semua zat disusun oleh atom-atom. Pada zat padat dan zat cair atom diikat oleh gaya atomik gaya antar atom sehingga dapat berkumpul. Pada saat bersamaan atom-atom bergetar di sekitar posisi kesetimbangan. Misalkan pada suhu T jarak rata-rata antar atom adalah a . Gambar 11.47. Ketika suhu dinaikkan, getaran atom-atom makin kencang. Getaran ini mulai melawan gaya tarik antar atom sehingga jarak rata-rata antar atom mengalami penambahan. Pada suhu sembarang T, jarak antar atom menjadi a. Atom bergetar di sekitar posisi setimbang a Gambar 11.47 Dalam zat padat atom-atom bergetar di sekitar posisi setimbang. Pada suhu T jarak rata-rata atom adalah a . 892 Jadi, ketika suhu berubah dari T ke T jarak rata-rata antar atom mengalami perubahan sebesar a a a    . Nilai a, a , dan a sangat kecil. Namun, karena jumlah atom penyusun zat sangat banyak sehingga perubahan jarak rata-rata yang kecil tersebut menimbulkan perubahan panjang yang dapaty diukur untuk benda makroskopik. Jika terdapat n atom dalam arah panjang, maka perubahan panjang zat adalah l = na. Sebagai ilustrasi, jumlah atom penyusun benda yang sering kita pegang dalam satu arah sekitar 5  10 7 atom. Perubahan jarak antar atom ketika suhu berubah puluhan derajat celcius sekitar 0,01 angstrom = 10 -12 meter. Dengan demikian, ketika suhu berubah puluhan sedaraj celcius, perubahan panjang benda yang biasa kita pegang sekitar 5  10 7  10 -12 meter = 5  10 -5 meter. Atom bergetar lebih kencang a Gambar 11.48 Pada suhu T jarak rata-rata atom adalah a. Contoh 11.13 Koefisien muai panjang logam tembaga adalah 17  10 -6 o C -1 . Jarak antar atom tembaga pada suhu 0 o C adalah 3,6 angstrom . Berapa jarak antar atom pada suhu 300 o C? Jawab Misalkan sepanjang batang tersusun atom sepanjang N. Maka panjang tembaga pada suhu 0 o C memenuhi persamaan L = Na . Panjang batang pada suhu 300 o C memenuhi persamaan L 300 = Na 300 . Tetapi panjang batang memenuhi persamaan pemuaian, yaitu L = L 300-0 = 300 L = 300 Na .