Pemuaian Zat: Panjang, Luas & Volume — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung pemuaian panjang, luas, dan volume zat akibat kenaikan suhu, serta menjelaskan fenomena rekayasa pemuaian di sekitarmu.

Rel kereta api dipasang dengan celah kecil di tiap sambungan. Jembatan baja ditanam bantalan yang bisa bergeser. Termometer raksa naik turun mengikuti panas dingin. Semuanya bercerita tentang satu hal: benda memuai saat dipanaskan dan menyusut saat didinginkan. Geser slider suhu di bawah dan lihat betapa sensitifnya sebuah batang baja terhadap perubahan suhu.

Geser slider kenaikan suhu dan koefisien muat, lalu perhatikan pertambahan panjang yang berubah sebanding.

Pemuaian panjang: delta L = alpha L0 delta T

Hampir semua zat memanjang saat suhunya naik. Molekul-molekulnya bergetar lebih keras sehingga saling mendorong lebih jauh; rata-rata jarak antar mereka membesar. Untuk benda padat berbentuk batang, pertambahan panjangnya sangat teratur.

$\Delta L = \alpha \, L_0 \, \Delta T$

Arti tiap simbol: $\Delta L$ = pertambahan panjang (meter), $\alpha$ = koefisien muat panjang (per Kelvin, $K^{-1}$ ), $L_0$ = panjang awal (meter), $\Delta T$ = kenaikan suhu (Kelvin atau Celsius, sama selisihnya).

Koefisien muat panjang ( $\alpha$ ) menyatakan pertambahan panjang benda per satuan panjang awal untuk setiap kenaikan suhu satu derajat.

Karena rumusnya berbentuk perkalian lurus, grafik $\Delta L$ terhadap $\Delta T$ berupa garis lurus melalui pusat. Makin besar $\alpha$ , makin curam garisnya — bahan itu makin mudah memuai. Aluminium ( $\alpha \approx 2{,}3 \times 10^{-5} \, K^{-1}$ ) memuai hampir dua kali besi ( $\alpha \approx 1{,}2 \times 10^{-5} \, K^{-1}$ ) untuk suhu yang sama.

Geser slider suhu pada batang baja di bawah dan saksikan ia memanjang. Karena pemuaian nyata sangat kecil (orde milimeter untuk batang beberapa meter), tampilan diperbesar agar kamu bisa melihatnya.

Pemuaian volume: cairan naik di tabung

Pemuaian tidak hanya soal panjang. Zat juga memuai pada luas penampang dan volumenya. Untuk zat cair dan gas yang mengikuti bentuk wadah, yang lazim dihitung adalah pemuaian volume.

$\Delta V = \beta \, V_0 \, \Delta T$

Arti tiap simbol: $\Delta V$ = pertambahan volume (meter kubik), $\beta$ = koefisien muat volume (per Kelvin), $V_0$ = volume awal. Untuk zat padat isotropik berlaku $\beta \approx 3\alpha$ ; untuk zat cair $\beta$ diukur tersendiri.

Bayangkan zat sebagai jaring karet berisi manik-manik. Panas membuat manik bergetar dan mendorong jaring meregang ke segala arah. Kalau kamu hanya ukur satu sisi, itu pemuaian panjang. Kalau kamu ukur seluruh isi jaring, itu pemuaian volume — sekitar tiga kali lipat pemuaian panjang karena meregang ke tiga arah sekaligus.

Termometer raksa memanfaatkan pemuaian volume: cairan dalam bohlam kecil memuai naik di pipa sempit saat suhu naik. Pada grafik di bawah, geser slider kenaikan suhu dan lihat pertambahan volume raksa yang juga linear terhadap suhu.

Keping bimetal: dua bahan yang memuai beda

Bahan	$\alpha$ ( $10^{-5} \, K^{-1}$ )	Sifat
Aluminium	2,3	cepat memuai
Besi	1,2	lambat memuai
Kaca pyrex	0,3	hampir tak memuai

Bila dua logam berbeda $\alpha$ ditempel jadi satu lempeng (bimetal) lalu dipanaskan, satu sisi memuai lebih banyak daripada sisi lainnya — akibatnya lempeng melengkung ke arah logam yang kurang memuai. Inilah dasar thermostat, saklar otomatis setrika, dan pemutus arus. Pada keping di bawah, geser titik untuk melihat lengkungan bimetal berubah saat dua sisinya memuai tak sama.

Bandingkan bahan: celah rel dan anomali air

Bandingkan tiga bahan umum sekaligus. Pada grafik di bawah, tiga garis lurus menunjukkan pemuaian per meter batang aluminium, besi, dan kaca untuk kenaikan suhu yang sama. Garis aluminium paling curam, kaca paling landai. Inilah sebabnya rel baja butuh celah sambungan lebih besar daripada rel aluminium, dan kaca pyrex dipakai untuk gelas ukur laboratorium yang dimensinya harus stabil.

Soal pemuaian sering muncul di TKA Fisika elemen kalor-termodinamika (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tiga tipe lazim: (1) hitung $\Delta L$ dari $\alpha$ , $L_0$ , $\Delta T$ ; (2) bandingkan pemuaian dua bahan; (3) hitung suhu akhir agar panjang total mencapai nilai tertentu. Jebakan klasik: lupa mengubah satuan panjang ke meter, atau memakai $\alpha$ padat untuk zat cair. Satu lagi peringatan khusus: air justru menyusut saat dipanaskan dari 0 sampai 4 °C (anomali air) — di luar kebiasaan umum “panas = memuai”.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah rel baja sepanjang 25 m dipasang pada suhu 20 °C. Koefisien muat panjang baja $1{,}2 \times 10^{-5} \, K^{-1}$ . Pada siang hari terik suhu rel mencapai 50 °C. (a) Berapa pertambahan panjang relnya? (b) Bila tidak ada celah sambungan dan rel terjepit di kedua ujung, gaya apa yang muncul?

Selisih suhu: $\Delta T = 50 - 20 = 30$ K. (Selisih Celsius sama dengan selisih Kelvin, jadi amal langsung dalam °C.)

$\Delta L = \alpha \, L_0 \, \Delta T = (1{,}2 \times 10^{-5}) \times 25 \times 30 = 9{,}0 \times 10^{-3}$ m $= 0{,}9$ cm.

Rel memuai 0,9 cm — angka kecil, tetapi cukup untuk membengkokkan rel atau merusak sambungan bila tak ada celah. Bila kedua ujung terjepit kaku sehingga rel tidak boleh memanjang, pemuaian yang terhalang ini menimbulkan gaya tekan internal yang sangat besar — sebab rel baja wajib diberi celah sambungan atau bantalan geser.

Jebakan: mengira pemuaian volume sama dengan pemuaian panjang. Yang benar: untuk zat padat isotropik, $\beta \approx 3\alpha$ — volume memuai sekitar tiga kali lipat pemuaian panjang karena mencakup tiga dimensi.

Jebakan: menggunakan satuan campur-aduk (panjang dalam cm, suhu dalam °C, alpha dalam $K^{-1}$ ). Yang benar: rapikan ke SI (meter, Kelvin) sebelum mengalikan, baru konversi ke satuan jawaban di akhir. Selisih °C = selisih K, jadi $\Delta T$ bisa langsung pakai selisih Celsius.

Jebakan: menganggap semua zat memuai saat dipanaskan. Yang benar: air justru menyusut saat dipanaskan dari 0 ke 4 °C (anomali air) — volumenya terkecil di 4 °C. Kerangka soal yang menetapkan “air 0–4 °C” sering menjebak di sini.

Pemuaian panjang: $\Delta L = \alpha \, L_0 \, \Delta T$ ; linear terhadap suhu.
Pemuaian volume: $\Delta V = \beta \, V_0 \, \Delta T$ ; untuk padat $\beta \approx 3\alpha$ .
Bahan alpha besar (aluminium) memuai lebih cepat daripada alpha kecil (kaca).
Bimetal melengkung karena dua sisi memuai tak sama — dasar thermostat.
Air anomali: menyusut 0–4 °C; rel baja butuh celah sambungan.