DILATASI SUPERFISIAL: RUMUS, KOEFISIEN, DAN CONTOH - FISIK - 2025

The ekspansi permukaan adalah ekspansi yang terjadi ketika sebuah benda mengalami variasi permukaannya karena variasi suhu. Ini karena karakteristik material atau bentuk geometrisnya. Pelebaran mendominasi dalam dua dimensi dengan proporsi yang sama.

Misalnya pada lembaran, bila terjadi perubahan suhu, maka permukaan lembaran yang mengalami perubahan terbesar akibat pemuaian panas.

Permukaan pelat besi itu sering terlihat di jalanan. Sumber: Pixabay.

Lembaran logam pada gambar sebelumnya menambah lebar dan panjangnya cukup besar bila dipanaskan oleh radiasi matahari. Sebaliknya, keduanya menurun drastis saat didinginkan karena penurunan suhu lingkungan.

Karena alasan inilah, ketika ubin dipasang di atas lantai, ujung-ujungnya tidak boleh saling menempel, tetapi harus ada celah yang disebut sambungan ekspansi.

Selain itu, ruang ini diisi dengan campuran khusus yang memiliki tingkat kelenturan tertentu, mencegah ubin retak karena tekanan kuat yang dapat dihasilkan oleh ekspansi termal.

Apa itu dilatasi superfisial?

Dalam bahan padat, atom mempertahankan posisi relatifnya kurang lebih tetap di sekitar titik kesetimbangan. Namun, karena agitasi termal, mereka selalu berosilasi di sekitarnya.

Saat suhu meningkat, ayunan termal juga meningkat, menyebabkan posisi ayunan tengah berubah. Ini karena potensi pengikatan tidak persis parabola dan memiliki asimetri di sekitar minimum.

Di bawah ini adalah gambar yang menguraikan energi ikatan kimia sebagai fungsi dari jarak antar atom. Energi total osilasi pada dua suhu dan bagaimana pusat osilasi bergerak juga ditampilkan.

Grafik energi ikat versus jarak antar atom. Sumber: buatan sendiri.

Dilatasi superfisial dan koefisiennya

Untuk mengukur muai permukaan, kita mulai dari area awal A dan suhu awal T, dari benda yang akan diukur pemuaiannya.

Misalkan benda tersebut adalah selembar luas A, dan ketebalannya jauh lebih kecil dari akar kuadrat luas A. Lembaran tersebut dikenakan variasi suhu ΔT, sehingga suhu akhir sama Setelah kesetimbangan termal dengan sumber panas ditetapkan, itu akan menjadi T '= T + ΔT.

Selama proses termal ini, luas permukaan juga akan berubah menjadi nilai baru A '= A + ΔA, di mana ΔA adalah perubahan panjang. Dengan demikian, koefisien muai permukaan σ didefinisikan sebagai hasil bagi antara variasi relatif luas per satuan variasi suhu.

Rumus berikut mendefinisikan koefisien muai permukaan σ:

Koefisien muai permukaan σ secara praktis konstan pada berbagai nilai suhu.

Menurut definisi σ dimensinya adalah kebalikan dari suhu. Satuan biasanya ° C ^-1 .

Koefisien muai permukaan untuk berbagai material

Selanjutnya kami akan memberikan daftar koefisien muai permukaan untuk beberapa bahan dan elemen. Koefisien dihitung pada tekanan atmosfir normal berdasarkan suhu sekitar 25 ° C, dan nilainya dianggap konstan pada rentang ΔT dari -10 ° C hingga 100 ° C.

Satuan koefisien muai permukaan adalah (° C) ^-1

- Baja: σ = 24 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Aluminium: σ = 46 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Emas: σ = 28 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Tembaga: σ = 34 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Kuningan: σ = 36 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Besi: σ = 24 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Kaca: σ = (14 sampai 18) ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Kuarsa: σ = 0.8 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Berlian: σ = 2 ,, 4 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Timbal: σ = 60 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Kayu ek: σ = 108 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- PVC: σ = 104 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Serat karbon: σ = -1.6 ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

- Beton: σ = (16 sampai 24) ∙ 10 ^-6 (° C) ^-1

Sebagian besar bahan meregang seiring peningkatan suhu. Namun, beberapa bahan seperti serat karbon menyusut dengan meningkatnya suhu.

Contoh Kerja Ekspansi Permukaan

Contoh 1

Sebuah pelat baja memiliki dimensi 3m x 5m. Di pagi hari dan di tempat teduh suhunya 14 ° C, tetapi pada siang hari matahari memanaskannya hingga 52 ° C. Temukan area akhir dari piring.

Larutan

Kita mulai dari definisi koefisien muai permukaan:

Dari sini kami memecahkan variasi di area:

Kami kemudian melanjutkan untuk mengganti nilai masing-masing untuk menemukan peningkatan luas dengan kenaikan suhu.

Dengan kata lain, luas akhir akan menjadi 15.014 meter persegi.

Contoh 2

Tunjukkan bahwa koefisien muai permukaan kira-kira dua kali lipat koefisien muai panjang.

Larutan

Misalkan kita mulai dari pelat persegi panjang dengan dimensi lebar Lx dan panjang Ly, maka luas awalnya adalah A = Lx ∙ Ly

Ketika pelat mengalami kenaikan suhu ΔT, maka dimensinya juga bertambah dengan lebar barunya Lx 'dan panjang barunya Ly', sehingga luas barunya adalah A '= Lx' ∙ Ly '

Variasi yang diderita oleh luas pelat akibat perubahan suhu kemudian akan terjadi

ΔA = Lx '∙ Ly' - Lx ∙ Ly

dimana Lx '= Lx (1 + α ΔT) dan Ly' = Ly (1 + α ΔT)

Artinya, perubahan luas sebagai fungsi koefisien muai panjang dan perubahan suhu adalah:

ΔA = Lx (1 + α ΔT) ∙ Ly (1 + α ΔT) - Lx ∙ Ly

Ini dapat ditulis ulang sebagai:

ΔA = Lx ∙ Ly ∙ (1 + α ΔT) ² - Lx ∙ Ly

Mengembangkan persegi dan mengalikan kita memiliki yang berikut:

ΔA = Lx ∙ Ly + 2α ΔT Lx ∙ Ly + (α ΔT) ² Lx ∙ Ly - Lx ∙ Ly

Karena α berorde 10 ^-6 , jika dikuadratkan ia tetap berada pada orde 10 ^-12 . Jadi, suku kuadrat pada ekspresi di atas dapat diabaikan.

Kemudian peningkatan luas dapat diperkirakan dengan:

ΔA ≈ 2α ΔT Lx ∙ Ly

Tetapi pertambahan luas sebagai fungsi dari koefisien muai permukaan adalah:

ΔA = γ ΔT A

Dari mana ekspresi diturunkan yang menghubungkan koefisien muai panjang dengan koefisien muai permukaan.

γ ≈ 2 ∙ α

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Volume 1. Mac Graw Hill. 422-527
2. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6. Edisi. Prentice Hall. 238–249.