APA ITU DILATASI VOLUMETRIK? (DENGAN CONTOH) - FISIK - 2025

The ekspansi volume adalah fenomena fisik yang melibatkan perubahan dalam tiga dimensi tubuh. Volume atau dimensi sebagian besar zat meningkat saat mengalami panas; Ini adalah fenomena yang dikenal sebagai ekspansi termal, namun ada juga zat yang berkontraksi saat dipanaskan.

Meskipun perubahan volume relatif kecil untuk padatan, perubahan tersebut sangat penting secara teknis, terutama dalam situasi di mana material yang mengembang secara berbeda diinginkan untuk digabungkan.

Bentuk beberapa padatan terdistorsi saat dipanaskan dan dapat mengembang ke beberapa arah dan berkontraksi di tempat lain. Namun, jika hanya terdapat dilatasi pada sejumlah dimensi tertentu, maka ada klasifikasi untuk perluasan tersebut:

• Pelebaran linier terjadi ketika variasi dalam dimensi tertentu mendominasi, seperti panjang, lebar, atau tinggi benda.
• Dilatasi permukaan adalah salah satu di mana variasi dalam dua dari tiga dimensi mendominasi.
• Akhirnya, pelebaran volumetrik menyiratkan variasi dalam tiga dimensi benda.

Konsep dasar yang berkaitan dengan ekspansi termal

Energi termal

Materi terdiri dari atom yang bergerak terus menerus, baik yang bergerak maupun bergetar. Energi kinetik (atau gerak) yang menggerakkan atom disebut energi termal, semakin cepat pergerakannya, semakin banyak energi termal yang dimilikinya.

Panas

Panas adalah energi panas yang ditransfer antara dua atau lebih zat atau dari satu bagian zat ke zat lainnya dalam skala makroskopis. Ini berarti bahwa benda panas dapat melepaskan sebagian energi termalnya dan memengaruhi benda di dekatnya.

Jumlah energi panas yang ditransfer tergantung pada sifat tubuh di dekatnya dan lingkungan yang memisahkannya.

Suhu

Konsep suhu sangat penting untuk mempelajari pengaruh panas, suhu suatu benda adalah ukuran kemampuannya untuk mentransfer panas ke benda lain.

Dua benda yang saling kontak atau dipisahkan oleh media yang sesuai (penghantar panas) akan berada pada suhu yang sama jika tidak ada aliran panas di antara keduanya. Demikian pula, benda X akan berada pada suhu yang lebih tinggi daripada benda Y jika panas mengalir dari X ke Y.

Apa sifat dasar muai panas?

Ini jelas terkait dengan perubahan suhu, semakin tinggi suhu, semakin besar ekspansi. Itu juga tergantung pada struktur internal material, dalam termometer, pemuaian merkuri jauh lebih besar daripada pemuaian kaca yang berisi itu.

Apa penyebab mendasar dari muai panas?

Peningkatan suhu menyiratkan peningkatan energi kinetik atom individu dalam suatu zat. Dalam benda padat, tidak seperti gas, atom atau molekul saling berdekatan, tetapi energi kinetiknya (dalam bentuk getaran kecil dan cepat) memisahkan atom atau molekul satu sama lain.

Pemisahan antara atom-atom yang bertetangga ini menjadi semakin besar dan menghasilkan peningkatan ukuran padatan.

Untuk sebagian besar zat dalam kondisi biasa, tidak ada arah yang disukai di mana terjadi ekspansi termal, dan peningkatan suhu akan meningkatkan ukuran padatan dengan fraksi tertentu di setiap dimensi.

Dilatasi linier

Contoh pelebaran yang paling sederhana adalah ekspansi dalam satu dimensi (linier). Secara eksperimental ditemukan bahwa perubahan panjang ΔL suatu zat sebanding dengan perubahan suhu ΔT dan panjang awal Lo (Gambar 1). Kami dapat mewakili ini dengan cara berikut:

DL = aLoDT

dimana α adalah koefisien proporsionalitas yang disebut koefisien muai panjang dan merupakan karakteristik dari setiap material. Beberapa nilai koefisien ini ditunjukkan pada tabel A.

Koefisien muai panjang lebih tinggi untuk bahan yang mengalami pemuaian lebih besar untuk setiap derajat Celcius saat suhunya naik.

Dilatasi superfisial

Ketika sebuah bidang diambil di dalam benda padat, sehingga bidang ini mengalami muai panas (Gambar 2), perubahan luas ΔA diberikan oleh:

DA = 2aA0

dengan ΔA adalah perubahan luas awal Ao, T adalah perubahan suhu, dan α adalah koefisien muai panjang.

Pelebaran volumetrik

Seperti pada kasus sebelumnya, perubahan volume ΔV dapat didekati dengan hubungannya (Gambar 3). Persamaan ini biasanya ditulis sebagai berikut:

DV = bVoDT

di mana β adalah koefisien muai volumetrik dan kira-kira sama dengan 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, nilai koefisien muai volumetrik untuk beberapa material akan ditampilkan.

Secara umum, zat akan mengembang di bawah peningkatan suhu, air menjadi pengecualian terpenting untuk aturan ini. Air mengembang bila suhunya meningkat bila lebih dari 4ºC.

Namun, ia juga mengembang ketika suhunya menurun dalam kisaran 4 ° C hingga 0 ° C. Efek ini dapat diamati ketika air dimasukkan ke dalam lemari es, air mengembang ketika membeku dan sulit untuk mengeluarkan es dari wadahnya karena pemuaian ini.

Contoh

Perbedaan ekspansi volumetrik dapat menyebabkan efek yang menarik di pompa bensin. Contohnya adalah bensin yang menetes ke tangki yang baru diisi di hari yang panas.

Bensin mendinginkan tangki baja saat dituang, dan bensin serta tangki mengembang seiring suhu udara di sekitarnya. Namun, bensin mengembang jauh lebih cepat daripada baja, menyebabkannya bocor keluar tangki.

Perbedaan ekspansi antara bensin dan tangki yang menampungnya dapat menyebabkan masalah saat membaca pengukur level bahan bakar. Jumlah bensin (massa) yang tersisa di tangki saat pengukur mencapai kosong jauh lebih sedikit di musim panas daripada di musim dingin.

Bensin memiliki volume yang sama di kedua stasiun saat lampu peringatan menyala, tetapi karena bensin mengembang selama musim panas, massa bensinnya lebih rendah.

Sebagai contoh, Anda dapat mempertimbangkan tangki bahan bakar baja penuh, dengan kapasitas 60L. Jika suhu tangki dan bensin 15ºC, berapa banyak bensin yang akan tumpah pada saat mencapai suhu 35ºC?

Tangki dan bensin akan bertambah volumenya seiring dengan kenaikan suhu, tetapi bensin akan bertambah lebih banyak dari pada tangki. Jadi bensin yang tumpah akan menjadi selisih perubahan volume Anda. Persamaan muai volumetrik selanjutnya dapat digunakan untuk menghitung perubahan volume:

Volume yang tumpah oleh kenaikan suhu adalah:

Menggabungkan 3 persamaan ini menjadi satu, kami memiliki:

Dari tabel 2 diperoleh nilai koefisien muai volumetrik, yang menggantikan nilai:

Meskipun jumlah bensin yang tumpah ini relatif tidak signifikan dibandingkan dengan tangki 60L, efeknya mengejutkan, karena bensin dan baja mengembang dengan sangat cepat.

Bibliografi

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Ekspansi Termal dari Padatan ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fisika, Volume 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Panas dan Termodinamika. Editorial Aguilar, 1979.