SIAP OSN (KSN) IPA SMP Tahun 2023 : Suhu dan Pemuaian

 SUHU DAN PEMUAIAN

Pada umumnya zat jika dipanaskan suhunya akan bertambah dan mengalami pemuaian. Pada zat yang berwujud padat pemuaiannya dapat berupa: pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume. Pada zat yang wujudnya cair dan gas hanya dikenal pemuaian volume saja. Untuk perubahan suhu yang tidak terlalu besar, umumnya pemuaian zat bersifat teratur (angka muai zat tertentu tetap).

Pemuaian panjang pada zat padat

Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa perubahan panjang (ΔL) suatu benda yang dipanaskan  atau didinginkan bergantung pada :

·         jenis bahannya atau tepatnya koefisien muai panjang zat (α)

·         panjang benda mula-mula atau panjang awal (L₀)

·         perubahan suhu (ΔT)

Hubungan antara  besaran-besaran di atas: ΔL = L₀.α.ΔT

Dengan  ΔL = L_t – L₀ = panjang akhir – panjang awal

Pemuaian luas pada zat padat

Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa perubahan luas (ΔA) suatu benda yang dipanaskan  atau didinginkan bergantung pada :

·         jenis bahannya atau tepatnya koefisien muai luas zat (β)

·         luas benda mula-mula atau luas awal (A₀)

·         perubahan suhu (ΔT)

Hubungan antara  besaran-besaran di atas: ΔA = A₀.β.ΔT

Dengan  ΔA = A_t – A₀ = luas akhir – luas awal

Catatan : koefisien muai luas = 2 x koefisien muai panjang, atau : β = 2α

Pemuaian volume atau pemuaian ruang pada zat padat

Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa perubahan volume (ΔV) suatu benda yang dipanaskan  atau didinginkan bergantung pada :

·         jenis bahannya atau tepatnya koefisien muai volume zat (γ)

·         volume benda mula-mula atau volume awal (V₀)

·         perubahan suhu (ΔT)

Hubungan antara  besaran-besaran di atas: ΔV = V₀.γ.ΔT

Dengan ΔV = V_t - V_o = volume akhir – volume awal

Catatan : koefisien muai volume = 3 x koefisien muai panjang, atau : γ = 3α

Pemuaian volume atau pemuaian ruang pada zat cair

Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa perubahan volume (ΔV) zat cair yang dipanaskan  atau didinginkan bergantung pada:

·         jenis zat cairnya atau tepatnya koefisien muai volume zat cair  zat (γ)

·         volume zat cair mula-mula atau volume awal (V₀)

·         perubahan suhu (ΔT)

Hubungan antara  besaran-besaran di atas: ΔV = Vo.γ.ΔT

Dengan ΔV = V_t - V_o = volume akhir – volume awal

Catatan : tidak dikenal istilah koefisien muai panjang pada zat cair, yang ada hanyalah koefisien muai volume atau koefisien muai ruang zat cair.

Anomali air

Pada umumya zat jika dipanaskan akan memuai atau volumenya bertambah dan jika didinginkan akan menyusut atau volumenya berkurang. Pemuaian pada air bersifat aneh atau memiliki sifat yang menyimpang (anomali) dibandingkan zat pada umumnya, namun anomali air ini hanya terjadi pada rentang suhu antara 0°C sampai 4^oC.

Jika air dipanaskan dari suhu 0^oC sampai 4^oC volumenya mengecil atau massa jenisnya membesar, sebaliknya jika air didinginkan dari 4 ^oC sampai 0 ^oC, volumenya akan membesar atau massa jenisnya mengecil.

Di atas 4 ^oC pemuaiannya seperti kebanyakan zat yakni jika dipanaskan memuai (massa massa jenis mengecil) dan jika didinginkan volume mengecil (massa jenis membesar).

Pada suhun 4^oC, air mempunyai volume terkecil dan massa jenis terbesar.

Jika titik beku air atau titik lebur es 0^oC, maka pada saat es mencair/melebur volumenya akan berkurang (massa jenis membesar) dan pada saat air membeku volumenya bertambah (massa jenis mengecil). Itulah mengapa es bersuhu 0^oC massa jenisnya lebih kecil daripada air bersuhu 0^oC sehingga es dapat terapung di air.

Grafik hubungan antara volume dengan suhu dan massa jenis dengan suhu untuk air sebagai berikut:

 

 

 

Prisnsip Pemuaian zat padat dalam kehidupan sehari-hari

1. Pembuatan termometer zat cair
2. Mengeling pelat logam
3. Keping bimetal (saklar pengatur suhu pada setrika listrik, pada termometer bimetal, saklar penunjuk arah pada lampu sign motor/mobil kuno, saklar pengatur suhu pada AC = air conditioner, saklar pengatur suhu pada thermostat mesin mobil, saklar pengatur suhu pada oven gas)
4. Pemasangan ban baja pada roda kereta
5. Pemasangan kaca jendela
6. Sambungan rel kereta api
7. Celah sambungan pada jembatan – jembatan kereta api dan jalan layang.

PEMUAIAN PADA GAS

Jika gas dalam ruang tertutup dipananskan, maka tekanan p, volume V, dan suhu T dari gas dapat mengalami perubahan, namun karena ruang tertutup, maka massa gas tetap, dan  hasil kali antara tekanan gas dengan volume gas dibagi suhu mutlaknya, selalu tetap.

  

 hukum Boyle-Gay-Lussac

Konstanta di atas berbanding lurus dengan massa m dari gas, atau:

  

Perhatikan: massa gas m berbanding lurus dengan tekanan gas p dan volume gas V, tetapi berbanding terbalik dengan suhu mutlak gas T.

Di SMP pemuaian pada gas dibatasi hanya 3 (tiga) proses atau peristiwa, yakni:

1. Proses isotermik atau proses dengan suhu tetap ( volume dan tekanan berubah)
2. Proses isokhorik atau isovolume atau proses dengan volume tetap ( suhu dan tekanan berubah)
3. Proses isobarik atau proses dengan tekanan tetap (suhu dan volume berubah)

Penjelasan:

1. Proses isotermik

Proses isotermik: proses pada gas dengan temperatur tetap.

Gas dalam ruang tertutup yang dilengkapi dengan penghisap/piston yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan, manometer (pengukur tekanan) dan termometer (pengukur suhu). Volume gas diubah-ubah namun suhu gas dijaga tetap atau konstan.

Pada proses ini, jika volume diperkecil, maka tekanan akan menjadi besar, demikian pula sebaliknya, jika volume diperbesar maka tekanan akan menjadi kecil. Dengan kata lain tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas, asal suhu gas dijaga konstan.

Karena tekanan gas berbanding terbalik terhadap volumenya, maka dapat pula dikatakan bahwa : hasil kali antara tekanan gas dengan volume gas dalam ruang tertutup adalah tetap, asal suhu gas dijaga tetap.

Secara matematis dapat diungkapkan sebagai:

PV = konstan       atau       P₁V₁ = P₂V₂     

Dengan P₁ dan P₂ adalah tekanan awal dan tekanan akhir gas, satuannya harus sama, misal pascal dengan pascal, atau atmosfer dengan atmosfer, atau cmHg dengan cmHg.

V₁ dan V₂  adalah volume awal dan volume akhir, satuannya harus sama, misal m³ dengan m³, atau liter dengan liter, atau cm³ dengan cm³.

 

2. Proses isokhorik atau isovolume

Proses isokhorik: proses pada gas dengan volume tetap

Pada proses ini gas berada dalam ruang tertutup, dilengkapi dengan termometer dan manometer, volume gas dibuat tetap. Jika gas dipanaskan suhu mutlak gas akan naik, demikian pula tekanan gas juga naik, sebaliknya jika gas didinginkan, suhu mutlak gas akan turun, tekanan gas juga turun, dengan kata lain tekanan gas (p) berbanding lurus dengan suhu mutlak gas (T), atau hasil bagi antara tekanan gas (p) dengan suhu mutlat gas (T) adalah tetap.

Secara matematis dapat diungkapkan sebagai:

       

Dengan P₁ dan P₂  adalah tekanan awal dan tekanan akhir, satuannya harus sama, misal: pascal dengan pascal, atau atmosfer dengan atmosfer, atau cmHg dengan cmHg.

T₁ dan T₂  adalah suhu mutlak awal dan suhu mutlak akhir, satuannya HARUS kelvin.

 

3. Proses Isobarik

Proses isobarik: proses pada gas dengan tekanan tetap.

Pada proses ini gas berada dalam ruang tertutup, dilengkapi dengan termometer dan manometer, tekanan gas dibuat tetap. Jika gas dipanaskan suhu mutlak gas akan naik, demikian pula volume gas juga naik, sebaliknya jika gas didinginkan, suhu mutlak gas akan turun, volume gas juga turun, dengan kata lain volume gas (V) berbanding lurus dengan suhu mutlak gas (T), atau hasil bagi antara volume gas (V) dengan suhu mutlat gas (T) adalah tetap.

Secara matematis dapat diungkapkan sebagai:   

Dengan V₁ dan V₂ adalah volume awal dan volume akhir, satuannya harus sama, misal : m³ dengan m³, atau liter dengan liter, atau cm³ dengan cm³.

T₁ dan T₂ adalah suhu mutlak awal dan suhu mutlak akhir, satuannya HARUS kelvin.

Soal

1.       Dua buah tabung berukuran sama masing-masing terbuat dari aluminium dan besi. Koefisien muai aluminium lebih besar dari besi. Keduanya dialiri uap sehingga mengalami kenaikan temperatur yang sama. Tabung yang menjadi lebih panjang adalah yang terbuat dari … .

A.         besi

B.         aluminium

C.         tidak berbeda

D.        tidak ada yang mengalami pertambahan panjang

2.       Sebatang logam dengan koefisien muai panjang α mempunyai panjang ℓ pada suhu pada suhu 25°C. Jika dipanaskan menjadi 30°C ia akan mengalami pertambahan panjang Δℓ. Jika logam tersebut dipotong menjadi ⅓ panjang semula, maka pertambahan panjangnya ketika dipanaskan sampai suhunya 35°C adalah … .

A.         2/3 Δℓ

B.         3/2 Δℓ

C.         5/3 Δℓ

D.        5/2 Δℓ

3.       Pada temperatur 20°C, panjang sebuah batang aluminium 200 cm.Jika dipanaskan sampai temperatur 100°C panjangnya bertambah 0,00384 m. Jika pada temperatur 20°C terdapat sebuah bola terbuat dari bahan aluminium yang sama, maka agar volume bola itu bertambah 1% dari volume semula, bola tersebut harus dipanaskan hingga temperatur … .

A.         139°C

B.         159°C 

C.         208°C

D.        228°C

4.      
Pada gambar berikut ini tampak adanya celah sambungan antara dua rel kereta api yang terbuat dari besi. Celah itu dimaksudkan agar … . 

A.         gaya gesekan ketika dilalui kereta api semakin kecil

B.         getaran ketika dilewati kereta api semakin kecil

C.         rel kereta api tidak melengkung pada saat besi memuai

D.        rel kereta api tidak melengkung pada saat dilewati kereta api

5.       Sebuah plat logam berbentuk lingkaran konsentris (sepusat) ditengahnya. Apabila plat tersebut dipanaskan maka … .

A.         diameter plat membesar dan diameter lubang mengecil

B.         diameter plat mengecil dan diameter lubang membesar

C.         diameter plat membesar dan diameter lubang membesar

D.        diameter plat mengecil dan diameter lubang mengecil

6.       Sepasang kerangka kaca mata terbuat dari bahan plastik yang memiliki koefisien muai panjang 1,3x10^-4(°C)^-1. Lubang tempat lensanya berbentuk lingkaran dengan jari-jari 2,2 cm. Agar lubang-lubang tempat lensa itu dapat dipasangi lensa berjari 2,21 cm, kerangka kaca mata tersebut harus dipanaskan sampai mengalami perubahan suhu sebesar … .

A.         25°C   

B.         35°C

C.         45°C

D.        55°C

7.       Sebuah plat logam berbentuk bujur sangkar memiliki lubang berbentuk lingkaran di tengahnya. Jika suhu plat logam dinaikkan, maka … .

A.         Luas lubang bertambah dan luas plat berkurang

B.         Luas lubang bertambah dan luas plat bertambah

C.         Luas lubang berkurang dan luas plat bertambah

D.        Luas lubang berkurang dan luas plat berkurang

8.       Dua buah batang mula-mula masing-masing panjangnya 10 m. Kedua batang tersebut terbuat dari baja dan aluminium dengan koefisien muai panjang berturut-turut 11x10^-6/°C dan 24x10^-6/°C. Setelah kenaikan temperatur sebesar 40°C panjang batangbaja dan aluminium berturut-turut menjadi … .

A.         10,044 m dan 10,096 m

B.         10,096 m dan 10,044 m

C.         10,0044 m dan 10,0096 m

D.        10,0096 m dan 10,0044 m

9.       Batang logam pejal A dengan luas permukaan lingkarannya 10 mm². akan dimasukkan ke dalam logam B berbentuk tabung dengan luas permukaan rongga 9,998 mm². Jika koefisien muai luas logam tersebut 0,000012/°C. maka logam B tersebut harus dipanaskan hingga kenaikan suhu sebesar … . 

A.         150,8°C

B.         112,5°C

C.         97,3°C

D.        83,3°C

10.   Sebatang kaca pada temperatur 25°C panjangnya 20 cm. Kemudian, kaca dipanaskan hingga bertambah panjang menjadi 20,018 cm. Jika koefisien muai panjang kaca α = 9 x 10^-6°C^-1, maka temperatur akhir kaca adalah … .

A.         50°C

B.         70°C

C.         125°C

D.        150°C

11.   Sebuah piringan berdiameter 6 cm terbuat dari bahan yang koefisien muai luas 1,0 x 10^-5/°C, Di pusat piringan terdapat lubang yang diameternya 2 cm. Jika piringan itu dipanaskan dari 25°C sampai 46°C, maka diameter piringan jadi mendekati … .

A.         6,00006 cm

B.         6,0006 cm

C.         6,006 cm

D.        6,06 cm

12.   Sebuah plat logam ditempeli mentega pada tiap 5 cm sepanjang plat logam, kemudian salah satu ujung plat dijepit dan ujung yang lainnya dipanaskan dengan api lilin seperti pada gambar. Lama kelamaan setiap gumpalan kecil mentega mencair secara berurutan. Cepat atau lambatnya mentega-mentega mencair atau meleleh secara berurutan bergantung pada … .

A.         kalor jenis plat

B.         koefisien muai panjang plat

C.         kapasitas kalor plat

D.        konduktivitas termal plat

13.   Gelas pirex mempunyai volume 100 cm³ penuh berisi air pada suhu 0°C.Volume air yang tumpah jika suhu dinaikkan menjadi 100°C (koefisien muai panjang pirex 3 x 10^-6/°C dan koefisien muai volume air 210 x 10^-6/°C) adalah … .

A.         2,01 cm³           

B.         2,07 cm³           

C.         3,1 cm³             

D.        3,6 cm³

14.   Pada suhu 0°C sebuah koin memiliki diameter 4 cm dan pada suhu 50°C diameternya menjadi 4,01 cm. Koefisien muai luas koin itu adalah … .

A.         0,001°C             

B.         0,0001°C           

C.         0,00001°C        

D.        0,000001°C

15.   Sebuah batang logam yang panjangnya L terdiri atas logam A sepanjang ¼L yang tersambung dengan logam B sepanjang ¾L. Koefisien muai panjang logam A adalah dua kali koefisien muai panjang logam B. Ketika temperatur batang logam berubah dari 25°C ke 105°C, panjang total batang logam bertambah 1/10 L. Koefisien muai panjang logam B adalah … .

A.         0,00001°C^-1      

B.         0,0001°C^-1        

C.         0,001°C^-1          

D.        0,01°C^-1

16.   Jika sebuah bola logam berongga dipanaskan sehingga suhunya naik, maka … .

A.   volume bola bertambah dan volume rongga berkurang

B.   volume bola berkurang dan volume rongga bertambah

C.   volume bola bertambah dan volume rongga bertambah

D.        volume bola tetap dan volume rongga berubah

17.   Sebuah cincin logam bermassa Mc bertemperatur To ditempelkan ke plastisin bermassa Mp dan bertemperatur ½ To. Dalam proses mencapai keseimbangan 20% dari kalor yang dilepaskan cincin terbuang ke udara. Kapasitas panas cincin dan plastisin berturut-turut adalah Cc dan Cp. Temperatur cincin dan plastisin dalam seimbang adalah … .

 Jawab : 

18.   Pada temperatur 20°C suatu cincin yang terbuat dari aluminium mempunyai diameter dalam 5,00 cm sedangkan suatu batang kuningan mempunyai diameter 5,05 cm sedangkan suatu batang kuningan mempunyai diameter 5,05 cm. Diketahui koefisien muai panjang aluminium dan kuningan masing-masing adalah 24,0x10^-6 °C^-1 dan 19,0x10^-6 °C^-1. Batang kuningan dapat dimasukkan ke dalam cincin aluminium tersebut dengan cara … .

A.         memanaskan cincin aluminium dan batang kuningan bersama-sama hingga mencapai temperatur 400°C.

B.         memanaskan batang kuningan hingga mencapai temperatur 400°C.

C.         memanaskan cincin aluminium hingga mencapai temperatur 300°C.

D.        memanaskan cincin aluminium hingga mencapai temperatur 450°C.

19.   Minyak pelumas suatu mesin akan digunakan pada rentangan suhu 20 - 200°C. Wadah yang tersedia mampu menampung pelumas 1 liter pada temperatur 200°C. Dengan mengabaikan kalor yang diserap oleh wadah dan mendapatkan kondisi wadah tepat penuh pada temperatur 200°C, dapat dimasukkan pelumas sebanyak 0,96 liter pada temperatur 20°C. Koefisien muai volum pelumas tersebut adalah … .

A.         7,41 x 10^-4°C^-1 

B.         2,31 x 10^-4°C^-1 

C.         7,41 x 10^-4°C^-1 

D.        2,31 x 10^-4°C^-1

20.   Diketahui bahwa koefisien muai panjang kaca biasa dan kaca pyrex berturut-turut adalah 9x10^-6/°C dan 3,2x10^-6/°C. Dua buah batang masing-masing terbuat dari kaca biasa dan kaca pyrex dipanaskan hingga mengalami kenaikan temperatur yang sama. Jika keduanya mengalami pertambahan panjang yang sama pula, berarti perbandingan panjang batang kaca biasa terhadap panjang kaca pyrex mula-mula adalah … .

21.   Perhatikan gambar sebuah bimetal pada suhu 26°C berikut!

Ketika bimetal tersebut dinaikkan suhunya menjadi 50°C, peristiwa yang terjadi sebagai berikut :

No    Bimetal membengkok      Karena koefisien muai panjang logam (a)

1  ke arah logam (a)                     lebih besar dari koefisien muai panjang logam (b)

2  ke arah logam (b)                     lebih besar dari koefisien muai panjang logam (b)

3  ke arah logam (a)                     lebih kecil dari koefisien muai panjang logam (b)

4  ke arah logam (b)                     lebih kecil dari koefisien muai panjang logam (b)

Arah membengkok dan alasan yang benar ditunjukkan oleh … .

A.         1 dan 2

B.         1 dan 4

C.         2 dan 3

D.        3 dan 4

22.   Keping bimetal terdiri atas dua keping logam dengan koefisien muai panjang berbeda. Jika panjang bimetal dipanaskan, maka akan melengkung dengan bagian luar lengkungan adalah … .

A.   logam dengan koefisien muai panjang lebih besar                                

B.    logam dengan koefisien muai panjang lebih kecil

C.   logam dengan koefisien muai ruang lebih besar

D.        logam dengan koefisien muai ruang lebih kecil

23.   Berikut ini gambar seterika listrik yang dilengkapi dengan thermostat.

Pengaruh kenaikan suhu seterika membuat posisi bimetal melengkung seperti pada gambar. Hal ini disebabkan oleh … .

A.         kalor jenis logam (B) lebih besar dari pada kalor jenis logam (A)

B.         kalor jenis logam (B) lebih kecil dari pada kalor jenis logam (A)

C.         koefisien muai panjang logam (B) lebih besar dari pada koefisien muai panjang logam (A)

D.        koefisien muai panjang logam (B) lebih kecil dari pada koefisien muai panjang logam (A)

24.   Bimetal pada suhu kamar nampak seperti pada gambar. Jika koefisien muai panjang bagian A lebih besar dari koefisien muai panjang bagian B, maka batang bimetal itu … .

A.  melengkung ke bawah jika suhunya diturunkan dan melengkung ke atas jika suhunya dinaikkan

B.   melengkung ke bawah jika suhunya dinaikkan dan melengkung ke atas jika suhunya diturunkan

C.   melengkung ke bawah jika suhunya dinaikkan

D.   melengkung ke atas jika suhunya dinaikkan

Keterangan :

Share this post