Aplikasi Sifat Pemuaian Zat

895 volumenya mengisi kolom kosong pada pipa kaca termometer sehingga ujung kolom zat cair menunjukkan pembacaan suhu yang lebih besar. Misalkan luas penampang kolom yang diisi zat cair adalah A dan volum total zat cair dalam termometer volum dalam wadah dan yang berada di dalam kolom pada suhu T adalah V . Ketika suhu berubah menjadi T maka pertambbahan volum zat cair dalam termometer adalah V = V T – T . Pertambahan volum ini seluruhnya akan mengisi kolom kaca. Karena luas penampang kolom adalah A maka tinggi kenaikan permukaan zat cair dalam kolom memenuhi V = Ah atau h = VA atau T T A V h    11.39 Misalkan kita tetapkan suhu 0 o C sebagai suhu referensi dan V adalah volum pada suhu 0 o C maka ketinggian kolom zat cair dalam termometer memenuhi T A V h   11.40 Suhu T Suhu T h Gambar 11.49. kiri Keadaan zat cair dalam termometer pada suhu T dan kanan keadaan zat cair pada suhu T. Perubahan suhu menyebabkan perubahan volum zat cair dalam termometer sehingga terdesak naik atau turun pada kolom. 896 Tampak dari persamaan 11.40 ketinggian kolom zat cair dalam termometer merupakan fungsi linier dari suhu. Artinya jika suhu naik dua kali lipat maka ketinggian kolom juga dua kali lipat. Jarak antar skala dalam kolom termometer menjadi sama. Juga tampak dari persamaan 11.39 atau 11.40 bahwa pada suhu yang sama, kolom lebih tinggi jika luas penampang kolom lebih kecil. Artinya, jika kita ingin membaca kenaikan suhu lebih teliti jarak antar skala lebih besar maka penampang kolom air raksa dalam termometer harus sekecil mungkin. Itulah sebabnya, mengapa penampang kolom pada termometer bagian yang berongga di dalam kaca berukuran mendekati diameter rambut. Contoh 11.14 Jari-jari kolom dalam termometer air raksa adalah 0,14 mm. Pada suhu 0 o C volum air raksa dalam wadah termometer adalah 0,255 ml. Berapa jarak satu skala derajat celcius pada batang termoemeter? Jawab Kita gunakan persamaan 11.40. Pada suhu T 1 tinggi kolom air raksa adalah h 1 = V T 1 A. Ketika suhu bertambah 1 o C T = T 1 + 1 maka tinggi kolom menjadi h 2 = V T 1 + 1A. dengan demikian, pertambahan panjang kolom ketika suhu naik 1 o C adalah h = h 2 – h 1 = V A = 3 V A. Kita nyatakan semuanya dalam satuan cgs. Volume air pada suhu 0 o C adalah V = 0,255 ml = 0,255 cm 3 . Jari-jari kolom adalah r = 0,14 mm = 0,014 cm. Maka luas penampang kolom adalah A = r 2 = 3,14  0,014 2 = 0,000616 cm 2 . Oleh karena itu, jarak antar skala derajat pada termiemeter adalah A V h 3    897 000616 , 255 , 10 61 3 6      = 0,076 cm Saklar Bimetal Bimetal artinya dua buah logam yang ditempelkan. Logam yang ditempel memiliki koefisien muai panjang yang berbeda. Untuk memahami prinsip kerja bimetal, perhatikan Gambar 11.50. Misalkan logam A memiliki koefisien muai panjang lebih besar daripada logam B. Ketika mengalami kenaikan suhu yang sama maka logam A mengalami pertambahan panjang lebih besar daripada logam B. Jika dua logam ditempelkan sangat kuat maka pertambahan panjang yang berbeda menyebabkan paduan logam tersebut melengkung. Logam yang memiliki koefisien muai panjang besar berada di sisi luar. Logam A Logam B Logam A dan Logam B terpisah Logam A dan Logam B ditempel kuat Logam A Logam B  Logam A  Logam B Suhu T Suhu T Gambar 11.50 Prinsip kerja bimetal. Logam A dan B memiliki koefisien muai panjang berbeda. Jika logam terpisah tidak ditempel kemudian dipanaskan maka logam A menjadi lebih panjang daripada logam B. Namun, jika dua logam ditempel kuat lalu dipanaskan maka gabungan logam melengkung di mana logam A berada di sisi luar karena lebih panjang. 898 Sifat bimetal yang melengkung jika suhu dinaikkan dapat digunakan sebagai saklar pengontrol suhu otomatis. Prinsip kerjanya ditunjukkan pada Gambar 11.51. Bimetal sendiri adalah logam sehingga dapat dialiri arus listrik. Pada Gambar 11.51 kita memiliki tungku yang akan dipanaskan hingga suhu tertentu. Ketika suhu masih rendah, bimetal masih dalam posisi lurus. Bimetal menyentuh ujung kabel sehingga membentuk rangkaian tertutup. Arus listrik mengalir dalam rangkaian pemanasan sehingga menaikkan suhu pemanas dan suhu tungku. Heater Bimetal Kontak PLN Ruang tungku Heater Bimetal Kontak PLN Ruang tungku Suhu T Suhu T Gambar 11.51 Prinsip kerja saklar bimetal. Pada suhu T bimetal lurus. Kontak terbentuk dan arus mengalir. Heater mengalami pemanasan. Ketika dicapai suhu yang tinggi, bimetal melengkung sehingga kontak terputus. Arus berhenti dan pemanasan heater berhenti. Ketika suhu sudah mencapai suhu yang diinginkan, bimetal melengkung akibat perbedaan koefisien muai panjang dua logam. Lengkungan bimetal menyebabkan kontak dengan ujung kabel menjadi terbuka. Arus berhenti sehingga pemanasan berhenti menghasilkan kalor. Selanjutnya suhu bertahan di sekitar nilai yang diseting. Lama-kelamaan suhu akan turun. Begitu suhu berada di bawah suhu yang disetting, bimetemal kembali melurus dan kontak dengan ujung kabel kembali terjadi. Arus listrik 899 kembali mengalir sehingga pemanasan terjadi kembali. Begitu seterusnya. Dengan prinsip kerja ini maka suhu tungku bervariasi di sekitar suhu yang diinginkan. Rel Kereta Api Pemasangan rel kereta api menyisakan celah pada persambungan. Cara ini dilakukan untuk menghindari dorongan antar rel ketika terjadi peningkatan suhu lingkungan akibat pemuaian panjang. Dorongan antar rel dapat menyebabkan rel bengkok apabila celah tersebut tidak ada. Suhu T Suhu T Batang rel kereta api Batang rel kereta api Celah Gambar 11.52 Batang rel kereta api pada suhu T dan suhu T lebih tinggi. Rel bertambah panjang karena pemuaian sehingga celah antar rel menyempit. Ukuran celah harus cukup sehingga pada saat pemuaian tidak terjadi dorongan antar rel yang menyebabkan rel bengkok. Ketika suhu lingkungan naik maka batang rel bertambah panjang Gambar 11.52. Akibatnya celah antar rel menyempit. Pada saat rel dipasang, para insinyur harus memiliki data berapa suhu maksimum yang mungkin terjadi di daerah tersebut sehingga dapat diperkirakan berapa pertambahan panjang maksimum batang rel yang mungkin terjadi. Dengan demikian, dapat diperkirakan dengan tepat berapa lebar celah antar rel. Para insinyur dapat memperkirakan lebar celah antar rel dengan persamaan merikut ini. Misalkan rel dipasang pada suhu T . Misalkan pada suhu tersebut panjang batang rel adalah L . Misalkan pula hasil pengukuran menunjukkan bahwa koefisien muai panjang rel adalah . Ketika suhu naik menjadi T maka pertambahan panjang rel adalah L = L T -T . Misalkanya di lokasi pemasangan rel suhu tertinggi yang pernah terjadi adalah Tm. Dengan demikian pertambahan panjang terbesar yang mungkin terjadi pada rel adalah L m = L T m -T . Antar tidak terjadi dorongan antar rel saat perubahan suhu hingga suhu maksimum yang mungkin terjadi maka lebar celah harus lebih besar daripana L m , atau 900 T T L m     11.41 di mana  adalah lebar celah antar rel. Pemasangan Beton Jembatan Fenomena serupa perlu diperhatikan pada pemasangan beton atau baja pada jembatan. Banyak jembatan dibangun dengan teknologi precast. Artinya batang-batang beton dicor di tempat lain. Setelah kering dan kuat diangkut ke tempat pembangunan jembatan. Pada saat pemasangan, antara batang yang satu dengan batang lainnya tidak boleh bersentuhan. Harus disediakan celah yang cukup bagi batang untuk memuai sehinggan tidak terjadi saling dorong antar ujung Gambar 11.53. Gambar 11.53 Celah antara batang beton sebagai ruang bagi terjadinya pemuaian panjang. Dengan adanya celah tersebut maka pemuaian panjang beton tidak menyebabkan saling dorong antar batang beton yang dapat menyebabkan beton pecah alpcentauri.info. Berapa lebar celah yang harus dibuat sangat bergantung pada koefisien muai beton, panjang batang beton dan ketinggian maksimum suhu yang 901 mungkin terjadi di lingkungan tersebut. Jika celah antar batang cukup lebar sehingga dapat membahayakan pengguna jalan maka biasanya material lunak seperti karet dimasukkan ke dalam celah tersebut. Saat batang memuai, material tersebut akan terjepit tanpa merusak batang. Persamaan 11.41 dapat digunakan untuk memprediksi lebar celah antar beton saat dipasang. Kabel Jaringan Listrik Jika kita melihat kabel transmisi litrik tampak bahwa kabel tersebut dipasang agak kendor menggelantung seperti diilustrasikan pada Gambar 11.54. Tujuan pemasangan demikian adalah untuk menghindari putusnya kabel ketika suhu turun. Jika suhu turun maka panjang kabel berkurang. Jika awalnya kabel dipasang terlalu kencang maka pada saat panjang kabel berkurang akibat suhu turun, tarikan kabel pada tiang makin kencang. Ini dapat menyebabkan kabel putus. Pemasangan seperti ini sangat diperhatikan di daerah yang mengalami musim dingin. Saat musim dingin, suhu lingkungan dapat mencapai di bawah nol derajat celcius. Kabel transmisi Tiang Gaya tegang Gaya tegang Kabel transmisi Tiang Gaya tegang Gaya tegang Suhu turun Gambar 11.54 atas Pada saat pemasangan, kabel transmisi listrik harus sedikit dilonggarkan menggelantung sehingga saat terhadi penurunan suhu lingkungan tidak terjadi tegangan yang besar akibat memendeknya kabel bawah. Tegangan yang terlampau besar dapat menyebabkan kabel putus. 902 Pemasangan Bingkai Logam Kadang orang ingin memasang benda di dalam bingkai logam. Agar benda terpasang kuat maka jepitan bingkai logam pada benda tersebut harus sekuat mungkin. Cara penjepitan yang kuat tersebut dapat dicapai jika pada suhu kerja suhu operasi bingkai yang telah terpasang ukuran lubang bingkai sedikit lebih kecil daripada ukuran benda yang dijepit. Tetapi bagaimana cara memasukkan benda? Caranya adalah bingkai logam dipanaskan terlebih dahulu. Akibat pemanasan maka ukuran lubang membesar. Ketika ukuran lubang melebihi ukuran benda yang akan dijepit, maka benda dimasukkan ke dalam lubang bingkai. Ketika posisi benda sudah pas maka bingkai logam didinginkan kembali. Ketika kembali ke suhu semula maka benda dijepit dengan kuat oleh bingkai logam. Gambar 11.55 adalah ilustrasi pemasangan tersebut. Berapakah suhu pemanasan agar benda dapat dimasukkan ke dalam bingkai? Suhu tersebut bergantung pada jari-jari bingkai dan perbedaan jari- jari bingkai dengan jari-jari benda yang akan dipasang. Misalkan pada suhu T jari-jari bingkai adalah R 1 dan jari-jari benda yang akan dimasukkan adalah R 2 = R 1 + . Benda dapat dimasukkan ke dalam biingkai jika jari-jari bingkai memuai sebesar . Dengan hukum pemuiaian panjang maka kenaikan suhu bingkai memenuhi  = R 1 T atau T = R 1 R 1 R 2 R 2 R’ 1 Bingkai logam dipanaskan Benda dimasukkan ke dalam bingkai Bingkai logam didinginkan Benda terjepit kuat Benda mudah dimasukkan Ukuran lubang bingkai membesar R 2 R 1 R 2 R’ 1 Gambar 11.55 Proses pemasangan benda ke dalam bingkai logam agar terjepit kuat. Pertama bingkai dipanaskan sehingga ukuran lubang membesar. Bedan yang akan dipasang dimasukkan ke dalam lubang bingkai yang masih panas. Setelah pas, suhu bingkai diturunkan ke suhu semula sehingga benda yang telah dipasang terjepit kuat. 903

11.27 Mengukur Pemuaian Zat

Besar pemuaian zat sangat kecil sehingga sering sulit diamati langsung atau diukur dengan peralatan sederhana seperti mistar. Perlu alat ukur yang cukup teliti untuk mendapatkan informasi pemuaian tersebut. Di sini kita akan bahas cara mengukur pemuaian panjang zat padat dan pemuaian volum zat cair dan gas. Pemuaian Panjang Batang Logam Kalian bisa membuat alat ukur seperti pada Gambar 11.56. Bahan yang digunakan mudah diperoleh di sekitar kita. Pembacaan pemuaian panjang didasarkan pada perubahahn posisi berkas sinar laser pada dinding yang lokasinya sangat jauh. Meskipun pemuaian panjang sangat kecil sehingga arah sinar laser berubah sangat kecil, namun ketika diamati pada jarak yang sangat jauh maka posisi jatuhnya berkas cukup besar. Dari perubahan posisi jatuhnya berkas ini maka kita dapat mengiihung berapa perubahan panjang batang dengan persamaan matematika yang cukup sederhana. 1 2 3 3 5 6 7 8 9 Suhu meningkat 4 Gambar 11.56. Disain alat ukur pemuaian panjang batang. Perubahan panjang ditentukan berdasarkan perubahan posisi jatuhnya berkas sinar laser pada tembok atau layar yang lokasinya sangat jauh. Karena posisi yang sangat jauh maka perubahan panjang batang yang kecil menghasilkan perubahan posisi berkas yang cukup besar. 904 Keterangan alat: 1 Penyangga tetap 2 Batang logam yang akan diukur pertambahan panjangnya. Bisa menggunakan batang besi, aluminium, tembaga, atau kuningan 3 Tiang penyangga batang 4 Pemanas batang 5 Penyangga poros 6 Batang yang dapat berputar pada poros 7 Laser pointer 8 Berkas sinar laser 9 Dinding yang posisinya cukup jauh Pada suhu awal laser pointer mengarah horisontal ke dinding. Jarak laser pointer ke dinding harus cukup jauh. Ketika batang memanjang, sisi bawah batang berporos didorong sehinga arah laser pointer berubah. Titik jatuh sinar laser di dinding berubah.  h 1 h 2  y  l  d 2 1 h d h l    2 h d L y    L Gambar 11.57 Skema arah berkas sinar laser ketika suhu batang T dan T. Besaran yang harus diukur dalam percobaan adalah pergeseran posisi jatuh berkas laser di layar y, jarak layar ke poros L, dan panjang sisi bawah poros tempat laser pointer h 1 . Perhatikan skema pada Gambar 11.57. Dari gambar tersebut kita dapat simpulkan bahwa lh 1 = yL. Dengan demikian pertambahan panjang batang memenuhi