Jelaskan Peristiwa Pemuaian Yang Berpengaruh Terhadap Sambungan Rel Kereta Api

Alumnice.co – Jelaskan Peristiwa Pemuaian Yang Berpengaruh Terhadap Sambungan Rel Kereta Api

Pada zat padat, bisa terjadi tiga jenis pemuaian, yaitu pemuaian panjang, luas, dan volume.

1.1. Pemuaian Panjang

Pemuaian panjang adalah pertambahan ukuran panjang suatu benda dari panjangnya semula karena kenaikan suhu. Pemuaian panjang umumnya terjadi pada benda berbentuk batang.

Contoh pemuaian panjang  zat padat adalah pada kawat dan rel kereta api. Kawat listrik yang terbuat dari tembaga dapat memuai pada siang hari karena adanya kenaikan suhu akibat terik matahari.

Sedangkan, pada rel kereta api seringkali terjadi pembengkokan karena mengalami pemuaian panjang ketika suhunya meningkat.

Alat untuk menyelidiki atau mengukur besarnya pemuaian panjang zat padat disebut musschenbroek.

Cara kerjanya adalah ketika batang logam dipanaskan, batang tersebut akan memuai sehingga mendorong jarum skala musschenbroek yang menunjukkan besarnya pertambahan panjang.

Pemuaian panjang dipengaruhi oleh panjang awal benda, koefisien muai panjang benda, dan besarnya kenaikan suhu.

Koefisien muai panjang
adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang benda setiap satuan panjang saat mengalami kenaikan suhu 1
oC. Koefisien muai panjang disimbolkan dengan α (alfa).

Koefisien muai panjang suatu zat padat bergantung pada jenis zat atau bahan. Berikut ini adalah tabel contoh nilai koefisien muai panjang untuk beberapa jenis zat:

Zat Padat Koefisien Muai Panjang (/oC)
Aluminium 2,4 x 10-5
Kuningan 1,9 x 10-5
Tembaga 1,7 x 10-5
Kaca Biasa 0,9 x 10-5
Kaca Pyrex 0,32 x 10-5
Baja 1,1 x 10-5

Bila panjang mula-mula sebuah benda yang bersuhu T
adalah L, maka panjang benda setelah dipanaskan hingga suhu T dapat diketahui melalui rumus pemuaian panjang:

ΔL = L
.
α
.
ΔT, atau

Lt
= L
+ L
.
α
.
ΔT, atau

Lt
= L
{1 + α(T – T)}

Keterangan:

  • ΔL (Lt
    – L) = pertambahan panjang benda (m)
  • ΔT (T – T) = perubahan suhu (oC)
  • Lt
    = panjang benda setelah dipanaskan (m)
  • L
    = panjang benda mula-mula (m)
  • α = koefisien muai panjang (/
    oC
    )
  • T = suhu benda setelah dipanaskan (oC)
  • T
    = suhu benda mula-mula (oC)

Sementara itu, rumus koefisien muai panjang dituliskan dengan persamaan:

α =
ΔL
/
L
.
ΔT

1.2. Pemuaian Luas

pemuaian luas benda

Pemuaian luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda dari luasnya semula karena kenaikan suhu. Pemuaian luas umumnya terjadi pada benda berbentuk keping atau lempengan.

Contoh pemuaian luas zat padat adalah kaca, seperti kaca pada jendela. Itulah sebabnya mengapa sehingga bingkai jendela dibuat lebih besar daripada luas kaca sehingga terdapat celah kosong antara kaca dan bingkai jendela.

Tujuannya adalah ketika kaca memuai akibat cuaca panas, kaca tidak menekan bingkai karena masih ada celah kosong sehingga kaca tidak pecah.

Pemuaian luas dipengaruhi oleh luas awal benda, koefisien muai luas benda, dan besarnya kenaikan suhu.

Koefisien muai luas adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan luas benda setiap satuan luas saat mengalami kenaikan suhu 1
oC. Koefisien muai luas disimbolkan dengan β (beta).

Apabila luas sebuah lempengan benda yang bersuhu T
adalah A, maka luas lempengan tersebut setelah dipanaskan hingga suhu T dapat diketahui melalui rumus berikut:

ΔA = A
.
β
.
ΔT, atau

At
= A
+ A
.
β
.
ΔT, atau

At
= A
{1 + β(T – T)}, atau

At
= A
{1 + 2α(T – T)}

 β = 2
.
α

Keterangan:

  • ΔA (At
    – A) = pertambahan luas benda (m2)
  • ΔT (T – T) = perubahan suhu (oC)
  • At
    = luas benda setelah dipanaskan (m2)
  • A
    = luas benda mula-mula (m2)
  • β = koefisien muai luas benda (/
    oC
    )
  • T = suhu benda setelah dipanaskan (oC)
  • T
    = suhu benda mula-mula (oC)

Sementara itu, rumus koefisien muai luas dituliskan dengan persamaan:

β =
ΔA
/
A
.
ΔT

1.3. Pemuaian Volume (Ruang)

pemuaian volume benda

Pemuaian volume (ruang) adalah pertambahan ukuran volume suatu benda dari volumenya semula karena kenaikan suhu. Pemuaian volume umumnya terjadi pada benda berbentuk balok atau bola.

Contoh pemuaian volume (ruang) zat padat adalah pada bola logam yang tergantung dan dikeliling cincin. Pada keadaan awal, bola dan cincin logam tidak bersentuhan karena terdapat jarak antara keduanya.

Kemudian, bola logam itu dipanaskan di atas api pembakar selama waktu tertentu. Setelah bola logam dipanaskan, ternyata tidak ada jarak antara bola logam dan cincin.

Hal tersebut terjadi karena bola logam yang merupakan benda padat memuai ketika dipanaskan, ukuran volume bola bertambah besar dibanding ukuran semula.

Baca :   Cara Menanam Kacang Ijo Di Kapas

Pemuaian volume dipengaruhi oleh volume awal benda, koefisien muai volume benda, dan besarnya kenaikan suhu.

Koefisien muai volume adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan volume benda setiap satuan volume saat mengalami kenaikan suhu 1
oC. Koefisien muai volume disimbolkan dengan γ (gamma).

Apabila volume sebuah benda yang bersuhu T
adalah V, maka volume benda setelah dipanaskan hingga suhu T dapat diketahui melalui rumus pemuaian volume berikut:

ΔV = V
.
γ
.
ΔT, atau

ΔV = V
.

.
ΔT, atau

Vt
= V
{1 + γ(T – T)}, atau

Vt
= V
{1 + 3α(T – T)}

γ = 3
.
α

Keterangan:

  • ΔV (Vt
    – V) = pertambahan volume benda (m3)
  • ΔT (T – T) = perubahan suhu (oC)
  • Vt
    = volume benda setelah dipanaskan (m3)
  • V
    = volume benda mula-mula (m3)
  • γ = koefisien muai volume (/
    oC
    )
  • T = suhu benda setelah dipanaskan (oC)
  • T
    = suhu benda mula-mula (oC)

Sementara itu, rumus koefisien muai volume dituliskan dengan persamaan:

γ =
ΔV
/
V
.
ΔT

2. Pemuaian Zat Cair

Zat cair hanya mengalami pemuaian volume saja. Proses pemuaian zat cair lebih cepat dari pemuaian zat padat.

Contoh pemuaian volume zat cair adalah air dalam panci yang dipanaskan di atas kompor. Air yang menerima panas akan mengalami pemuaian volume yang ditandai dengan tinggi muka air dalam panci naik.

Alat yang digunakan untuk menyelidiki atau mengukur pemuaian zat cair disebut dilatometer, yaitu sebuah labu kaca yang mempunyai pipa kecil dan dilengkapi skala.

Cara kerja alat ini, dilatometer diisi suatu jenis cairan, misalnya alkohol, hingga garis nol. Kemudian, labu berisi alkohol ini dicelupkan ke dalam sebuah bak yang berisi air panas.

Mula-mula permukaan alkohol sedikit turun, kemudian naik dengan cepat melampaui kedudukan semula. Hal ini disebabkan pemuaian alkohol lebih besar daripada pemuaian kaca labu.

Pada umumnya, zat cair akan memuai bila dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Besarnya pemuaian dipengaruhi oleh koefisien muai volume yang bergantung pada jenis zat cair.

Berikut ini adalah tabel nilai koefisien muai dari beberapa jenis zat cair:

Zat Cair Koefisien Muai Volume (/oC)
Etil Alkohol 1,12 x 10-4
Gliserin 4,85 x 10-4
Raksa 1,82 x 10-4
Air 4 x 10-4
Aseton 1,5 x 10-4
Benzena 1,24 x 10-4

Namun, khusus untuk air terdapat anomali ketika ia berada pada suhu 0
oC hingga suhu 4
oC. Keadaan inilah yang lazim disebut dengan istilah anomali air.

Air apabila mengalami pemanasan dari suhu 0
oC hingga suhu 4
oC, maka air akan menyusut. Sebaliknya, apabila mengalami pendinginan dari suhu 4
oC hingga 0
oC, air justru memuai.

3. Pemuaian Zat Gas

Sama dengan zat cair, pada gas hanya terjadi pemuaian volume saja. Pemuaian gas lebih cepat dari pemuaian zat padat dan cair.

Gay-Lussac menyatakan bahwa besarnya koefisien muai volume untuk semua gas adalah sama besar, yaitu
1/273
oC atau 0,003663 /
oC
.

Umumnya, ketika gas dipanaskan pada suhu tertentu, maka volumenya akan bertambah. Bukti bahwa gas memuai jika dipanaskan adalah balon karet berisi gas/udara akan meletus ketika dipanaskan.

Namun, pemuaian gas tidak hanya disebabkan oleh suhu saja, tetapi bisa juga disebabkan oleh tekanan.

Terdapat suatu kondisi di mana gas pada ruang tertutup suhunya dijaga tetap, tetapi tekanannya diperkecil dari tekanan awal, maka volume gas akan bertambah.

Pemuaian gas dibedakan menjadi tiga macam, yaitu:

  • Pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal)
  • Pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar), dan
  • Pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik)

3.1. Pemuaian Gas Suhu Tetap (Isotermal)

Pada proses isotermal, suhu gas tetap sehingga perubahan energi dalam sistem sama dengan nol karena energi dalam hanya bergantung pada suhu awal gas.

Proses isotermal dapat diperoleh dengan menempatkan gas pada wadah yang berdinding konduktor panas tipis yang ditempatkan pada reservoir yang suhunya tetap.

Hukum yang berkaitan dengan pemuaian gas pada suhu tetap disebut Hukum Boyle, yang menyatakan bahwa:

Gas yang ditempatkan dalam ruang tertutup dengan suhu dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap.

Pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal) dirumuskan dengan persamaan:

P1

.

V1
= P2
.
V2

Keterangan:

  • P1
    = Tekanan awal gas (Atm)
  • V1
    = Volume awal gas (m3)
  • P2
    = Tekanan akhir gas (Atm)
  • V2
    = Volume akhir gas (m3)
Baca :   Cara Tuhan Membentuk Bangsa Israel Yang Besar Adalah Dengan

Kalor yang masuk pada gas semuanya dilakukan untuk kerja sehingga gas berekspansi (memuai).

3.2. Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap (Isobarik)

Pemuaian gas pada tekanan tetap artinya menjaga agar tekanan di dalam wadah sama dengan tekanan di luar wadah pada saat suhu dinaikkan.

Pada keadaan ini, partikel-partikel gas akan bergerak saling berdesakan ke segala arah. Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku Hukum Gay Lussac, yang menyatakan bahwa:

Gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas.

Rumus pemuaian gas pada tekanan tetap dituliskan dengan persamaan:

V1
/T1

=
V2
/T2

Keterangan:

  • V1
    = Volume awal gas (m3)
  • T1
    = Suhu awal gas (oC)
  • V2
    = Volume akhir gas (m3)
  • T2
    = Suhu akhir gas (oC)

3.3. Pemuaian Gas pada Volume Tetap (Isokhorik)

Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac, yang menyatakan bahwa:

Jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya.

Rumus pemuaian gas pada volume tetap dituliskan dengan persamaan:

P1
/T1

=
P2
/T2

Dengan menggabungkan Hukum Boyle dan Hukum Gay Lussac, diperoleh persamaan:

P1
.V1
/T1

=
P2
.V2
/T2

Manfaat dan Kerugian Pemuaian

Prinsip pemuaian zat dalam kehidupan sehari-hari dapat memberikan keuntungan dan kerugian.

1. Contoh Manfaat Pemuaian

Berikut ini adalah beberapa contoh penerapan dan pemanfaatan prinsip pemuaian dalam kehidupan sehari-hari:

1.1. Termometer

Prinsip pemuaian digunakan pada alat pengukur suhu termometer. Alat ini terdiri dari pipa kaca kapiler yang diisi dengan zat cair, seperti raksa dan alkohol.

termometer penerapan pemuaian

Ketika digunakan untuk mengukur suhu, permukaan zat cair dalam pipa akan naik (memuai) dan akan sejajar dengan garis-garis skala pada pipa untuk menunjukkan suhu.

1.2. Keping Bimetal

keping bimetal penerapan manfaat pemuaian

Keping bimetal adalah dua buah keping logam yang berbeda koefisien muainya dan dikeling menjadi satu. Logam yang umum digunakan adalah perunggu dan invar (paduan nikel dan baja). Koefisien muai invar lebih kecil daripada perunggu.

Keping bimetal sangat peka terhadap perubahan suhu. Jika dipanaskan, keping melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih kecil.

Hal ini disebabkan logam yang koefisien muainya lebih kecil harus lebih pendek daripada logam yang koefisien muainya lebih besar.

Sebaliknya, jika didinginkan, keping melengkung ke arah logam yang koefisien muainya lebih besar.

Keping bimetal
dimanfaatkan pada alat-alat, seperti sakelar termal, termostat bimetal, termometer bimetal, dan lampu tanda arah (sen) mobil.

1.3. Pemasangan Bingkai Logam pada Roda

Pemasangan Bingkai Logam pada Roda penerapan pemuaian

Prinsip pemuaian juga dimanfaatkan pada pemasangan bingkai logam, seperti ban baja pada roda besi lokomotif. Pemasangan ini dilakukan dengan cara pemanasan.

Ban baja yang berdiameter lebih kecil daripada roda besi dipanaskan sehingga memuai dan diameternya menjadi lebih besar daripada diameter roda.

Kemudian, ban baja tersebut dipasangkan pada roda. Setelah dingin, ban baja akan menyusut sehingga menempel sangat kuat pada roda.

1.4. Pengelingan Pelat Logam

pengelingan pelat logam penerapan pemuaian

Mengeling adalah menyambung dua pelat dengan menggunakan paku keling. Paku keling dalam keadaan panas sampai berpijar putih dimasukkan ke dalam lubang pelat.

Pada keadaan tersebut, ujung paku keling dipukul rata. Setelah dingin, paku menyusut dan menjepit kedua pelat dengan sangat kuat.

2. Contoh Kerugian Pemuaian

Selain memiliki manfaat, proses pemuaian juga dapat mendatangkan masalah sehingga menyebabkan kerugian. Berikut ini beberapa contohnya:

2.1. Sambungan Rel Kereta Api

Membengkoknya rel kereta api disebabkan adanya pemuaian akibat pemanasan sinar matahari.

pembengkokan rel kereta api

Bengkoknya rel kereta tersebut dapat mengakibatkan terjadinya kecelakaan sehingga pada ujung-ujung sambungan dibuat celah agar pada saat pemuaian tidak saling menekan.

2.2. Celah Pemuaian pada Jalan Layang

Pada siang hari panas, jalan layang akan mengalami pemuaian. Pemuaian ini akan mengakibatkan jalan menjadi runtuh.

celah pemuaian pada jalan layang

Untuk mengatasi pemuaian tersebut, pada sambungan jalan dipasang celah baca sehingga terdapat ruang untuk pemuaian.

2.3. Kaca Jendela

Pada saat cuaca panas, kaca jendela dapat pecah. Penyebabnya adalah pada saat terpanasi, tidak ada ruang untuk pemuaian sehingga kaca menekan dengan kuat pada bingkai kaca jendela.

kaca jendela pemuaian

Agar kaca jendela tidak pecah akibat cuaca panas, ukuran bingkai kaca jendela harus dibuat lebih besar daripada ukuran kaca sehingga terdapat celah untuk pemuaian.

Baca :   Soal Sbdp Kelas 2 Sd Semester 2

Contoh Soal Pemuaian

Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang pemuaian dan jawabannya:

1. Mengapa pemuaian pada zat cair lebih besar daripada pemuaian pada zat padat?

Jawab:

Karena jarak partikel molekul zat cair lebih renggang dari zat padat sehingga lebih mudah memisahkan diri.

2. Pemuaian panjang dan lebar benda merupakan pemuaian.

Jawab:

Pemuaian panjang dan lebar benda merupakan pemuaian luas. Jenis pemuaian ini sering terjadi pada benda berbentuk lempengan, contohnya kaca.

3. Pada saat kita memanaskan air hingga mendidih, maka sebagian air akan tumpah. Hal ini disebabkan oleh…

Jawab:

Disebabkan oleh angka pemuaian air lebih besar dari angka pemuaian teko.

4. Prinsip kerja termometer raksa adalah…

Jawab:

Termometer raksa bekerja berdasarkan prinsip pemuaian volume air raksa.

5. Mengapa pemuaian pada zat padat sukar diamati daripada pemuaian zat gas?

Jawab:

Pemuaian zat padat sukar diamati karena pertambahan ukurannya kecil. Selain itu, zat padat cenderung diam saja, berbeda dengan zat cair dan gas yang bebas bergerak.

6. Apabila desain jendela tidak diberi ruangan pemuaian maka saat terjadi pemuaian, kaca akan…

Jawab:

Jika kaca tidak diberi ruangan pemuaian, maka kaca akan pecah.

7. Mengapa tutup botol dari logam yg dipanaskan akan mudah dibuka karena…

Jawab:

Karena pemuaian tutup botol lebih cepat dari pemuaian botol. Sehingga, tutup botol akan longgar dan mudah dibuka. Koefisien muai tutup botol yang terbuat dari logam lebih besar dari koefisien muai botol yang terbuat dari kaca.

Contoh Soal 8

Sebatang besi yang panjangnya 50 cm pada suhu 20
oC, dipanaskan sampai mencapai suhu 120
oC. Hitunglah pertambahan panjang dan panjang akhir pada suhu 120
oC!

Jawaban:

Diketahui:

  • Batang itu berbahan besi, artinya memiliki koefisien muai panjang (α) sebesar 0,000012 /oC
  • L
    = 50 cm
  • T
    = 20
    oC
  • T = 120
    oC

Ditanyakan:

a. ΔL…?

b. Lt…?

Penyelesaian:

a. Pertambahan panjang besi (ΔL)

ΔL = L
. α . ΔT

      = 50 . 0,000012 . 100

      = 0,075 cm

b. Panjang akhir besi (Lt)

Lt
= ΔL + L

     = 0,075 + 50

     = 50,075 cm

Jadi, pertambahan panjang dan panjang akhir besi berturut-turut adalah 0,075 cm dan 50,075 cm.

Contoh Soal 9

Sebuah lempengan besi yang luasnya mula-mula 20 cm2
pada suhu 30
oC, kemudian lempengan besi dipanaskan hingga mencapai 110
oC. Jika koefisien muai panjang besi adalah 0,000012 /oC. Berapakah luasnya sekarang?

Jawaban:

Diketahui:

  • α = 0,000012 /oC
  • A
    = 20 cm2
  • T
    = 30
    oC
  • T = 110
    oC

Ditanyakan:

  • At…?

Penyelesaian:

At
= A
{1 + 2α(T – T)}

     = 20 {1 + 2 . 0,000012 (110 – 30)

     = 20 {1 + 0,000024 . 80}

     = 20 {1 + 0,0092}

     = 20
.
1,0092

     = 20,0384 cm2

Jadi, luas lempengan besi sekarang adalah 20,0384 cm2.

Contoh Soal 10

Volume besi pada suhu 40
oC adalah 125 cm3. Jika koefisien muai panjang besi 0,000012 /oC, berapakah volume pada suhu 60
oC?

Jawaban:

Diketahui:

  • α = 0,000012 /oC
  • V
    = 125 cm3
  • T
    = 40
    oC
  • T = 60
    oC

Ditanyakan:

  • Vt…?

Penyelesaian:

Vt
= V
{1 + 3α(T – T)}

     = 125 {1 + 3 . 0,000012 (60 – 40)

     = 125 {1 + 0,000036 . 20}

     = 125 {1 + 0,00072}

     = 125
.
1,00072

     = 125,09 cm3

Jadi, volume besi pada suhu 60
oC adalah 125,09 cm3.

Kesimpulan

Jadi, pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena disebabkan oleh kenaikan suhu. Terdiri dari pemuaian panjang, luas, dan volume pada zat padat, cair, dan gas.

Gimana adik-adik, udah paham materi
pemuaian
di atas? Jangan lupa lagi yah.

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.

Referensi:

  • Hartanto, Hendri. 2010.
    Rumus Jitu Fisika SMP. Yogyakarta: IndonesiaTera.
  • Pauliza, Osa. 2008.
    Fisika Kelompok Teknologi dan Kesehatan untuk SMK Kelas XI. Bandung: Grafindo Media Pratama.

  • Prasodjo, Budi dkk. 2009.
    Physics For Junior High School Year VII (Bilingual). Jakarta: Yudhistira.

Jelaskan Peristiwa Pemuaian Yang Berpengaruh Terhadap Sambungan Rel Kereta Api

Sumber: https://www.fisika.co.id/2020/11/pemuaian.html

Check Also

Cara Membuat Alat Pembengkok Besi Manual

Alumnice.co – Cara Membuat Alat Pembengkok Besi Manual Besi beton telah menjadi bagian yang hampir …