Laporan Praktikum Koefisien Muai Panjang Logam

Daftar isi

1. Latar belakang
2. Tujuan Percobaan
3. Dasar Teori
4. Metodologi Percobaan
5. Data dan Analisa
6. Kesimpulan
7. Daftar Pustaka
8. Bagian Pengesahan
9. Lampiran

BESAR KOEFISIEN PEMUAIAN PANJANG PADA BENDA PADAT

I. Latar belakang

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran atau besar suatu benda karena kenaikan suhu yang terjadi pada benda tersebut. Atau pemuaian juga dapat dikatakan sebagai bertambahnya panjang, luas, dan volume suatu benda karena pengaruh kalor (panas). Kenaikan suhu mengakibatkan benda tersebut mendapatkan tambahan energi berupa kalor yang menyebabkan molekul-molekul pada benda tersebut bergerak lebih cepat. Setiap zat mempunyai kemampuan muai yang berbeda-beda. Gas misalnya mempunyai kemampuan muai lebih besar dibanding zat padat dan cair. Sedangkan zat cair kemampuan muainya lebih besar dibanding zat padat. Pemuaian dibagi menjadi 3 jenis, yaitu pemuaian zat padat, cair, dan gas. Namun, pada percobaan ini hanya akan membahas pemuaian yang terjadi pada zat padat saja.

Setiap zat padat mempunyai besaran yang disebut koefisien muai panjang. Koefisien muai panjang suatu zat adalah angka yang menunjukkan pertambahan panjang zat apabila suhunya dinaikkan sebesar 1°C. Semakin besar koefisien panjang suatu zat apabila dipanaskan maka makin besar perubahan panjangnya. Demikian pula sebaliknya, semakin kecil koefisien muai panjang suatu zat maka semakin kecil pula pertambahan panjangnya.

Contoh yang dapat kita lihat pada penerapan konsep muai panjang adalah pada pemasangan rel kereta api yang sengaja dibuat renggang. Hal ini dikarenakan rel kereta api terbuat dari besi. Pada siang hari rel kereta api tersebut akan terkena sinar matahari langsung yang berarti besi tersebut menerima kalor dan akan melakukan pemuaian panjang. Apabila pada pemasangan rel kereta api tidak dibuat renggang maka pada saat siang hari rel akan memuai dan menyebabkan tabrakan antara rel sehingga rel kereta api akan membengkok yang nantinya akan membahayakan kereta api.

Pemuaian juga terjadi pada zat cair dan gas. Contoh pemuaian yang terjadi pada zat cair adalah saat kita merebus air pada sebuah panci. Pada saat awal, panci, dan air sama-sama mengalami pemuaian. Namun mengapa saat air mendidih, air justru tumpah pada panci, hal ini disebabkan karena koefisien muai zat cair lebih besar daripada zat padat yang dalam hal ini adalah panci yang terbuat dari aluminium. Sama dengan zat cair, zat yang berupa gas juga hanya mengalami pemuaian berupa pemuaian volume tanpa pemuaian panjang dan luas karena salah satu sifat gas adalah perubahan volume dan selalu mengisi seluruh ruangan.

II. Tujuan Percobaan

1. Menjelaskan pengaruh perubahan temperatur bahan terutama logam
2. Mengukur besarnya koefisien pemuaian panjang bahan

III. Dasar Teori

Pemuaian zat padat adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh penerimaan kalor. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang, luas, dan volume. Pemuaian panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda karena menerima kalor, pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal yang sangat kecil jika dibandingkan dengan muai panjang tersebut, sehingga lebar dan tebal dianggap tidak ada atau bisa diabaikan. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh jenis benda atau jenis bahan yang digunakan. Nilai koefisien muai panjang besi dan tembaga menurut standar internasional adalah sebesar 1,2 × 10^-5/°C dan 1,7 × 10^-5/°C (Joseph, 1998).

Jika temperatur benda padat dinaikkan maka benda padat tersebut akan memuai. Dapat diamati dari sebuah batang logam yang memiliki panjang [L] dan pada suhu atau temperatur [T] tertentu. Jika temperatur atau suhunya berubah maka perubahan panjang akan sebanding dengan perubahan suhu dan panjang mula-mula. Pernyataan ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

\begin{equation} \Delta L=\alpha L_0 \Delta T \tag{1} \end{equation}

dengan ΔL adalah perubahan panjang, L₀ adalah panjang mulai-mulai, α adalah koefisien pemuaian panjang, dan ΔT adalah perubahan pada suhunya (Tipler, 1998).

Koefisien pemuaian panjang biasanya dihitung berdasarkan persamaan empiris antara rapat massa dan suhu pada tekanan konstan. Jika metode ini tidak memungkinkan penggunaan metode optik yang melibatkan faktor interferensi cahaya maka koefisien muai panjang tidak bebas dari pengaruh perubahan tekanan. Suatu zat padat atau cair mengalami perubahan volume apabila suhunya berubah sebesar dt, karena skala derajat kelvin dan skala derajat celcius merupakan selang suhu yang sama harganya. Lambang koefisien pemuaian panjang adalah α, koefisien pemuaian panjang (linear) besarnya diukur dengan memakai Inner Vero Meter (Zemansky, 2002).

Suhu adalah suatu atribut sistem yang menentukan apakah sistem tersebut akan berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem-sistem yang lain. Ini sama dengan pengertian sehari-hari kita tentang suhu, karena ketika tubuh yang panas dan tubuh yang dingin melakukan kontak, suhu tubuh akan berubah menjadi suhu yang sama. Kebanyakan benda memuai bila dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Tetapi besarnya pemuaian dan penyusutan bervariasi, tergantung pada materialnya (Giancoli, 1997).

Ketika suatu benda padat mengalami peningkatan temperatur ΔT, pertambahan panjangnya ΔL hampir sebanding dengan panjang awalnya L₀ dikalikan dengan perubahan suhunya ΔT yang hubungannya dapat dilihat pada persamaan (1), dimana konstanta perbandingan α disebut sebagai koefisien pemuaian linier dan nilainya tergantung pada sifat atau bahan zat yang digunakan. Untuk berbagai keperluan, kita dapat menganggap α sebagai konstanta yang sepenuhnya bebas dari ΔT. Dari persamaan (1), α adalah perubahan panjang per satuan panjang awal per derajat perubahan temperatur. Sebagai contoh, jika kuningan sepanjang 1 000 000 cm menjadi 1 000 019 cm ketika temperatur dinaikkan 1°C maka besarnya koefisien pemuaian linier kuningan adalah α = 1,9 × 10^-3/°C. Pemuaian luas, jika luas A₀ memuai menjadi A₀ + ΔA ketika mengalami kenaikan temperatur ΔT, yaitu:

\begin{equation} \Delta A = \beta A_0 \Delta T \tag{2} \end{equation}

dimana β adalah koefisien pemuaian luas. Untuk zat padat isotropik (yang memuai dengan cara yang sama ke segala arah). Pemuaian volume, jika suatu volume V₀ memuai menjadi V₀ + ΔV ketika mengalami kenaikkan temperatur, maka:

\begin{equation} V = \gamma V_0 \Delta T \tag{3} \end{equation}

dimana γ adalah koefisien pemuaian volume. Ini dapat berupa peningkatan atau pengurangan volume (Bueche, 1999).

IV. Metodologi Percobaan

4.1 Alat dan Bahan

1. Peralatan muai panjang model Pasco TD-8558 berfungsi sebagai alat yang digunakan saat mengamati pertambahan panjang (1 set).
2. Termokopel berfungsi untuk mengukur suhu awal dan kenaikkan suhu saat percobaan (1 buah).
3. Pemanas air (kompor listrik) berfungsi untuk memanaskan air (1 buah).
4. Mistar yang berfungsi untuk mengukur panjang awal benda yang diuji (1 buah).
5. Logam (besi, aluminium, tembaga) yang berfungsi sebagai benda yang diuji (1 buah).

4.2 Gambar Alat

—

4.3 Langkah Kerja

Gambar 1. Diagram alir prosedur percobaan pemuaian panjang

4.4 Metode Grafik

Gambar 2. Metode grafik praktikum pemuaian panjang

V. Data dan Analisa

5.1 Data Percobaan

5.2 Analisa Data

Prinsip pada percobaan pemuaian panjang kali ini adalah ketika benda logam dipanaskan dengan temperatur tinggi maka jarak rata-rata antara atom pada logam tersebut bertambah jauh, hal inilah yang membuat benda bertambah panjang. Pertambahan panjang logam berbanding lurus dengan pertambahan suhu atau temperatur, jadi jika suhu dinaikkan semakin tinggi maka pertambahan panjang logam juga akan semakin besar. Pada percobaan ini, perpindahan yang terjadi ketika air dipanaskan untuk mengalirkan uap ke besi adalah jenis perpindahan konveksi karena terjadi perpindahan partikel-partikel zat yang disebabkan oleh massa jenis. Ketika air dibagian bawah memuai, massa jenisnya akan berkurang sehingga akan membuat air dibagian bawah tersebut bergerak naik (ke atas), tempatnya digantikan oleh air yang suhunya lebih rendah yang bergerak turun karena massa jenisnya lebih besar. Kemudian perpindahan yang terjadi ketika uap dialirkan menggunakan selang menuju logam adalah perpindahan jenis konduksi karena kalor hanya merambat saja sedangkan zat logam (padat) sebagai penghantarnya. Perpindahan kalor juga ikut berperan dalam percobaan ini (perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara), contohnya adalah kalor yang dihasilkan oleh pemuaian logam dengan pemanasan air, panas ini akan memancar ke tubuh tanpa zat perantara (kita akan merasa hangat).

Rekomendasi Laporan lain:

• Laporan Archimedes
• Laporan Kalorimeter
• Laporan Bandul Matematis

Percobaan ini dimanfaatkan untuk mendapatkan nilai koefisien muai panjang α dengan perhitungan manual dan grafik pada logam aluminium, besi, dan tembaga. Persamaan yang digunakan untuk menghitung koefisien muai panjang α adalah persamaan (1). Dengan menggunakan persamaan (1) ini didapatkan koefisien muai panjang logam aluminium, besi, dan tembaga sebesar: α_A = (1616,00 ± 18,98) × 10^-8/°C, α_B = (999,80 ± 8,82) × 10^-8/°C, α_T = (1848,00 ± 17,76) × 10^-8/°C dengan masing-masing ketelitian sebesar 98,82%, 99,11%, 99,03%. Dalam data ini terlihat bahwa koefisien muai panjang tembaga lebih besar dari aluminium dan besi (α_T> α_A> α_B). Hal ini menyebabkan pertambahan panjang pada tembaga lebih besar dari aluminium dan besi (ΔL_T> ΔL_A> ΔL_B), karena koefisien muai panjang berbanding lurus dengan pertambahan panjang logam.

Dengan menggunakan metode grafik didapatkan nilai koefisien muai panjang pada masing-masing logam, berikut adalah 3 gambar grafik pertambahan panjang terhadap suhu pada logam aluminium, besi, dan tembaga:

Gambar 3. Hubungan ΔL terhadap ΔT pada logam aluminium

Gambar 4. Hubungan ΔL terhadap ΔT pada logam besi

Gambar 5. Hubungan ΔL terhadap ΔT pada logam tembaga

dari gambar grafik 3, 4, dan 5 di atas didapatkan gradien pada aluminium, besi, dan tembaga sebesar m_t = (2,233 ± 1,389) × 10^-5 m/°C, m_t = (2,100 ± 1,400) × 10^-5 m/°C, m_t = (0,566 ± 1,389) × 10^-5 m/°C. Kemudian nilai gradien tersebut dimasukkan ke dalam persamaan garis dan didapatkan nilai koefisien muai panjang logam aluminium, besi, dan tembaga sebesar α_A = (12390,00 ± 27,78) × 10^-8/°C, α_B = (8876,00 ± 27,78) × 10^-8/°C, dan α_T = (3517,00 ± 27,78) × 10^-8/°C dengan masing masing ketelitian sebesar 99,77%, 99,68%, dan 99,21%. Dalam data ini terlihat bahwa koefisien muai panjang aluminium lebih besar dari besi dan tembaga (α_B> α_B> α_T). Hal ini menyebabkan pertambahan panjang pada aluminium lebih besar daripada besi dan tembaga (ΔL_A> ΔL_B> ΔL_T).

Perhitungan secara manual dan grafik menghasilkan kesimpulan yang berbeda. Pada perhitungan secara manual didapatkan (ΔL_T> ΔL_A> ΔL_B) sedangkan secara grafik didapatkan ΔL_A> ΔL_B> ΔL_T. Data ini sangatlah acak dan berbeda. Menurut literatur, koefisien muai panjang aluminium, besi, dan tembaga adalah sebesar: 2500 × 10^-8/°C, 1200 × 10^-8/°C, 1670 × 10^-8/°C atau dapat dikatakan bahwa α_B> α_T> α_A. Artinya pertambahan panjang pada aluminium lebih besar daripada tembaga dan besi (ΔL_A> ΔL_T> ΔL_B). Perbedaan kesimpulan menurut literatur dengan perhitungan secara grafik dan manual disebabkan oleh berbagai faktor. Dalam perhitungan secara manual mungkin ada kesalahan dalam angka-angka desimalnya karena nilai dari data tersebut sangatlah kecil dan terlalu kompleks. Pada perhitungan secara grafik dapat dilihat bahwa seharusnya gradien memotong sumbu y pada titik nol karena menggunakan persamaan garis y = m · x dengan nilai c = 0. Namun, pada gambar grafik 4 dan 5 nilai dari c tidaklah sama dengan nol.

Perbedaan hasil data ini dengan literatur juga disebabkan oleh kesalahan-kesalahan yang dilakukan selama percobaan, misalnya kurang ketelitian pada saat pengambilan data, keadaan suhu ruangan, kabel termokopel yang error, skala pertambahan panjang yang tidak mau memutar dan cepatnya perubahan suhu yang ditampilkan pada termokopel sehingga suhu yang didapatkan menjadi tidak akurat dan acak.

VI. Kesimpulan

1. Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda dikarenakan benda tersebut menerima kalor. Berdasarkan hasil dari observasi ini, benda dapat mengalami pemuaian ketika benda tersebut dipanaskan, yang mana pemuaian yang terjadi pada ketiga benda tersebut yaitu aluminium, besi, dan tembaga memiliki taraf perubahan panjang dan derajat suhu yang berbeda-beda. Dari perhitungan secara manual didapatkan pertambahan panjang ΔL_T> ΔL_A> ΔL_B sedangkan secara grafik didapatkan pertambahan panjang ΔL_T> ΔL_B> ΔL_T. Seharusnya pertambahan panjangnya adalah sebesar ΔL_A> ΔL_T> ΔL_B karena besi memiliki molekul yang lebih rapat dibandingkan dengan aluminium dan tembaga. Sedangkan aluminium memiliki molekul yang lebih renggang dibandingkan besi dan tembaga sehingga lebih mudah mengalami pemuaian.
2. Dalam percobaan ini didapatkan koefisien muai panjang (α) aluminium, besi, dan tembaga secara perhitungan manual dan grafik tetapi perhitungan ini sangat jauh berbeda dari literatur karena kesalahan-kesalahan dalam berbagai faktor. Nilai koefisien muai panjang (α):

1. Aluminium
   manual:
   
   α_A = (1616,00 ± 18,98) × 10^-8/°C
   grafik:
   
   α_A = (12390,00 ± 27,78) × 10^-8/°C
2. Besi
   manual:
   
   α_B = (999,80 ± 8,82) × 10^-8/°C
   grafik:
   
   α_B = (8876,00 ± 27,78) × 10^-8/°C
3. Tembaga
   manual:
   
   α_T = (1848,00 ± 17,76) × 10^-8/°C
   grafik:
   α_T = (3517,00 ± 27,78) × 10^-8/°C

VII. Daftar Pustaka

• Bueche, F., 1999. Seri Buku Schaum Fisika. Jakarta: Erlangga.
• Giancoli, D.C., 1997. Fisika Jilid I. Jakarta: Erlangga.
• Joseph, W.K., 1998. Fisika Dasar. Jakarta: Erlangga.
• Tipler, A.P., 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid I. Jakarta: Erlangga.
• Zemansky, S., 2002. Fisika untuk Universitas. Jakarta: Erlangga.

VIII. Bagian Pengesahan

—

IX. Lampiran