Apa itu dilatasi volumetrik? (Dengan contoh)

Ekspansi volume adalah fenomena fisik yang melibatkan perubahan dalam tiga dimensi benda. Volume atau dimensi yang paling umum dari zat meningkat ketika mereka 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 itu sangat penting secara teknis, terutama dalam situasi di mana Anda ingin menggabungkan bahan yang memuai secara berbeda.

Bentuk beberapa padatan terdistorsi ketika dipanaskan dan dapat memuai di beberapa arah dan menyusut di arah lain. Namun, bila hanya ada pelebaran dalam sejumlah dimensi tertentu, ada klasifikasi untuk pemuaian seperti itu:

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

Indeks artikel

Konsep dasar yang berkaitan dengan ekspansi termal

Energi termal

materi terdiri dari atom-atom yang berada dalam gerakan terus-menerus, baik bergerak atau bergetar. Energi kinetik (atau gerakan) dengan mana atom bergerak disebut energi panas, semakin cepat mereka bergerak, semakin banyak energi panas yang mereka miliki.

Kalor

Kalor adalah energi panas yang ditransfer antara dua atau lebih zat atau dari satu bagian zat ke bagian lain dalam skala makroskopik. Ini berarti bahwa benda yang panas dapat melepaskan sebagian energi panasnya dan mempengaruhi benda yang dekat dengannya.

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

Suhu

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

Dua benda yang saling bersentuhan atau dipisahkan oleh media yang sesuai (konduktor 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 ekspansi termal?

Hal ini jelas terkait dengan perubahan suhu, semakin tinggi suhu, semakin besar pemuaian. Itu juga tergantung pada struktur internal bahan, dalam termometer, pemuaian air raksa jauh lebih besar daripada pemuaian gelas yang menampungnya.

Apa penyebab mendasar dari ekspansi termal?

Peningkatan suhu menyiratkan peningkatan energi kinetik atom individu dalam suatu zat. Dalam padatan, 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 tetangga menjadi lebih besar dan lebih besar dan menghasilkan peningkatan ukuran padatan.

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

Dilatasi linier

Contoh dilatasi yang paling sederhana adalah pemuaian dalam satu dimensi (linier). Secara eksperimental ditemukan bahwa perubahan panjang L suatu zat sebanding dengan perubahan suhu T dan panjang awal Lo (Gambar 1). Kita dapat mewakili ini sebagai berikut:

DL = aLoDT

di mana adalah koefisien proporsionalitas yang disebut koefisien muai linier dan merupakan ciri-ciri masing-masing bahan. Beberapa nilai koefisien ini ditunjukkan pada tabel A.

Koefisien pemuaian linier lebih besar untuk bahan yang mengalami pemuaian lebih besar untuk setiap derajat Celcius yang suhunya naik.

Dilatasi superfisial

Saat mengambil bidang di dalam benda padat, sehingga bidang ini adalah bidang yang mengalami ekspansi termal (Gambar 2), perubahan luas A diberikan oleh:

DA = 2aA0

di mana A adalah perubahan luas awal Ao, T adalah perubahan suhu, dan adalah koefisien muai linier.

Dilatasi volumetrik

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

DV = bVoDT

di mana adalah koefisien muai volumetrik dan kira-kira sama dengan 3∝ τ∝ 2, nilai koefisien muai volumetrik untuk beberapa bahan ditampilkan.

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

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

Contoh

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

Bensin mendinginkan tangki baja ketika dituangkan, dan baik bensin maupun tangki mengembang dengan suhu udara di sekitarnya. Namun, bensin mengembang jauh lebih cepat daripada baja, menyebabkannya bocor keluar dari tangki.

Perbedaan ekspansi antara bensin dan tangki yang berisi dapat menyebabkan masalah saat membaca pengukur ketinggian bahan bakar. Jumlah bensin (massa) yang tersisa di tangki ketika 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 memuai selama musim panas, massanya lebih sedikit.

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

Tangki dan bensin akan bertambah volumenya karena kenaikan suhu, tetapi bensin akan meningkat lebih dari tangki. Jadi bensin yang tumpah akan menjadi perbedaan perubahan volume Anda. Persamaan ekspansi volumetrik kemudian dapat digunakan untuk menghitung perubahan volume:

Volume yang tumpah karena kenaikan suhu adalah:

Menggabungkan 3 persamaan ini menjadi satu, kita memiliki:

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

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

Bibliografi

  1. Yen Ho Cho, Taylor R. Ekspansi Termal padatan ASM Internasional, 1998.
  2. H. Ibach, Fisika Keadaan Padat Hans Lüth: Pengantar Prinsip-Prinsip Ilmu Material Springer Science & Business Media, 2003.
  3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Fisika, Volume 1. Wiley, 2001.
  4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett UnsurFisika Klasik Elsevier, 2013.
  5. Zemansky Mark W. Panas dan Termodinamika. Editorial Aguilar, 1979.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan