Weeblysinggihedu.weebly.com/uploads/1/8/7/0/1870258/instrumen.doc · Web viewSetiap benda padat, apapun itu pasti mengalami pemuaian panjang, meskipun tidak semua bagian benda itu

Jika terjadi perubahan suhu, kebanyakan benda padat biasanya mengalami

pemuaian panjang. Pemuaian panjang di sini bisa berarti panjang benda

bertambah atau panjang benda berkurang. Biasanya panjang benda bertambah

ketika suhu meningkat, sebaliknya panjang benda berkurang (benda memendek)

ketika suhu menurun. Setiap benda padat, apapun itu pasti mengalami pemuaian

panjang, meskipun tidak semua bagian benda itu mengalami pemuaian panjang.

Contoh… misalnya kita tinjau sebuah mobil yang lagi diparkir di pinggir jalan.

Ketika si mobil kepanasan, lempeng besi bisa bertambah tebal atau

panjang sisinya bisa bertambah walaupun sangat kecil. Atap rumah yang terbuat

dari seng juga bisa mengalami pemuaian panjang. Dalam hal ini, ketika seng

kepanasan, tepi seng bisa bertambah lebar. Seng juga bisa bertambah tebal. Hal

yang sama juga terjadi pada rel kereta api dan besi / baja pada jembatan.

Karena kebanyakan benda padat bisa memuai ketika terjadi perubahan

suhu, maka kita juga perlu tahu bagaimana pengaruh perubahan suhu terhadap

besarnya pemuaian. Hal ini sangat membantu kita dalam merancang suatu

peralatan, bangunan, kendaraan dll. Contohnya : celah pada rel kereta api.

Biasanya rel kereta api dibuat dari besi/baja.

Para insinyur sudah memperhitungkan lebar celah antara setiap rel. Pada

siang hari yang panas, rel akan memuai sejauh sekian centimeter… ketika

digesek2 oleh kereta api, rel pasti kepanasan juga. Besarnya pemuaian rel kira2

berapa…. Pada malam hari yang dingin, rel mengerut sejauh berapa centimeter….

Berdasarkan hasil perhitungan tersebut, para insinyur memutuskan kira2 panjang

celah antara rel berapa, sehingga kalau lagi kepanasan, rel tidak saling berciuman.

Ini cuma salah satu contoh saja. Untuk mengetahui hubungan antara perubahan

suhu dengan pemuaian panjang, kita membutuhkan rumus.

please don’t copy my style >>> 5223080299_ Instrumen Industri

Pada saat suhu benda = To (benda masih dingin), panjang benda = Lo. Pada

saat suhu benda = T (benda kepanasan), panjang benda = L. Sambil perhatikan

gambar ya… Berdasarkan hasil pengamatan dan percobaan, perubahan panjang

benda sebanding dengan perubahan suhu. Jika suhu semakin meningkat, panjang

benda juga semakin bertambah. Sebaliknya ketika suhu menurun, panjang benda

juga ikut2an berkurang.

Perubahan panjang suatu benda juga sebanding dengan panjang benda

mula-mula (Lo). Maksudnya kalau besar perubahan suhu sama, benda yang

panjangnya 10 meter, misalnya, akan mengalami perubahan panjang 2x lipat

dibandingkan dengan benda yang panjangnya hanya 5 meter. Jadi semakin

panjang benda, semakin besar pemuaian benda tersebut. Sebaliknya, semakin

pendek suatu benda, semakin kecil pemuaian yang dialami benda tersebut.

Untuk membantu kita meramalkan perubahan panjang suatu benda akibat adanya

perubahan suhu, alangkah baiknya jika kita menurunkan persamaan pemuaian

panjang.

Pertama, perubahan panjang benda (delta L) sebanding dengan perubahan

suhu (delta T). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :


Kedua, perubahan panjang benda (delta L) sebanding dengan panjang

benda mula-mula (Lo). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Ketiga, perubahan panjang untuk setiap benda ternyata berbeda-beda.

Walaupun besar perubahan suhu sama, pemuaian yang dialami besi tidak sama

dengan kaca. Demikian juga dengan benda yang lain. Jadi pemuaian panjang

ternyata bergantung pada koofisien muai panjang setiap benda. Koofisien muai

panjang untuk setiap benda diperoleh melalui percobaan (tuh ada tabel koofisien

muai panjang benda di bawah). Semakin besar koofisien muai panjang, semakin

besar pertambahan panjang. Sebaliknya semakin kecil koofisien muai panjang,

semakin kecil pertambahan panjang. Kita bisa mengatakan bahwa perubahan

panjang benda sebanding dengan koofisien muai panjang. Secara matematis bisa

ditulis seperti :

Ketiga perbandingan di atas bisa ditulis kembali menjadi seperti di

bawah :

Persamaan 1 bisa digunakan untuk menentukan perubahan panjang suatu

benda akibat adanya perubahan suhu. Nilai koofisien muai panjang untuk benda

padat bisa dilihat pada tabel di bawah.

Sekarang kita oprek persamaan 1 untuk memperoleh persamaan koofisien muai

panjang.

Persamaan 2 bisa digunakan untuk menentukan koofisien muai panjang

suatu benda.


Keterangan :

Panjang total sebuah benda setelah mengalami pemuaian atau penyusutan, bisa

kita peroleh dengan menjumlahkan panjang benda mula-mula (Lo) dan perubahan

panjang benda (delta L).

Keterangan :

Catatan :

Apabila perubahan suhu (T-To) bernilai negatif, maka perubahan panjang (L-Lo)

juga bernilai negatif. Dalam hal ini panjang benda berkurang. Sebaliknya jika

perubahan suhu (T-To) bernilai positif, maka perubahan panjang (L-Lo) juga

bernilai positif. Dalam hal ini benda bertambah panjang.

Berikut ini data koofisien muai panjang benda padat, pada suhu 20 oC. Bentuk zat

cair dan zat gas berubah2 sehingga kedua jenis zat ini tidak bisa mengalami

pemuaian panjang. Koofisien muai panjang benda padat bergantung juga pada

suhu alias temperatur. Pada suhu yang berbeda, koofisien muai panjang benda

padat juga berbeda – beda. Jika perbedaan suhu tidak terlalu besar maka


perbedaan koofisien muai panjang juga tidak terlalu besar, karenanya bisa

diabaikan.

Benda Padat Koofisien muai panjang

( K-1 atau (Co)-1 )

Timah hitam 29 x 10-6

Aluminium 24 x 10-6

Kuningan 19 x 10-6

Tembaga 17 x 10-6

Besi atau Baja 12 x 10-6

Beton dan Bata Mendekati 12 x 10-6

Kaca (Biasa) 9 x 10-6

Grafit 7,9 x 10-6

Kaca (Pyrex) 3 x 10-6

Marmer 1,4 – 3,5 x 10-6

Intan 1,2 x 10-6

Invar (Paduan besi – nikel) 0,9 x 10-6

Kwarsa 0,4 x 10-6

Tambahan :

Kalau terdapat kebingung satuan koofisien muai panjang darimana

asalnya, pahami penjelasan berikut ini. Kita bisa menurunkan satuan koofisien

muai panjang menggunakan persamaan koofisien muai panjang (Persamaan 2)


Kita gunakan satuan Sistem Internasional. Ingat ya, interval atau jarak

antara setiap skala pada skala Kelvin dan skala Celcius tuh sama. Karenanya,

selain menggunakan K-1 sebagai satuan koofisien muai panjang, kita juga bisa

menggunakan (Co)-1.

Contoh soal 1 :

Sebuah besi panjangnya = 10 meter. Berapakah pertambahan panjang besi jika

suhu berubah dari 40oC menjadi 60oC ?

Panduan jawaban :

Panjang besi mula-mula (Lo) = 10 meter

Suhu awal (To) = 40 oC

Suhu akhir (T) = 60 oC

Perubahan suhu = T – To = 60 oC – 40 oC = 20 Co

Koofisien muai panjang besi = 12 x 10-6 (Co)-1 (lihat tabel di atas)

Sekarang kita tentukan besar pertambahan panjang besi :


Contoh soal 2 :

Pada suhu 40 oC, panjang sebuah kawat tembaga = 100 meter. Jika suhu

meningkat menjadi 60 oC, kawat tersebut memuai (bertambah panjang).

Berapakah panjang total kawat tersebut setelah memuai ?

Panduan jawaban :

Panjang kawat tembaga mula-mula (Lo) = 100 meter



Perubahan suhu = T – To = 60 oC – 40 oC = 20 Co

Koofisien muai panjang tembaga = 17 x 10-6 (Co)-1 (lihat tabel di atas)

Ingat ya, yang ditanyakan adalah panjang total kawat (panjang mula2 +

pertambahan panjang). Kita punya 2 pilihan….

Pertama, langsung menggunakan persamaan panjang total (persamaan 3) untuk

menghitung panjang total kawat, atau

Kedua, menghitung terlebih dahulu pertambahan panjang kawat (persamaan 2).

Setelah memperoleh pertambahan panjang kawat, baru kita jumlahkan dengan

panjang kawat mula-mula.

Banyak jalan menuju roma, banyak cara mengoprek soal. Gurumuda pakai

persamaan 2 cara saja, biar dirimu paham….. btw, dirimu jangan hafal tuh

persamaan ya… pahami saja cara penurunannya, terus sering2 latihan soal biar

otomatis diingat. Ok, tancap gas….

Cara 1 :


Cara 2 :

Catatan :

Seperti yang sudah dijelaskan pada Termometer dan Skala Suhu, jika kita

menyebut besar suhu maka kita menggunakan derajat celcius (oC). Sebaliknya,

kalau kita menyebut selisih atau perubahan suhu maka kita menggunakan Celcius

Derajat (Co).

Contoh :

Mula-mula, suhu kawat tembaga = 30 oC. Setelah dipanaskan, suhu kawat

tembaga menjadi 60 oC. Perubahan suhu kawat tembaga = 60 oC – 30 oC = 30

Co (30 Celcius derajat). Biar paham, perhatikan lagi contoh soal di atas atau di

bawah….

Contoh soal 3 :

Pada suhu 60 oC, panjang sebuah kawat besi = 100 meter. Berapakah panjang besi

tersebut jika suhu berkurang menjadi 40 oC ?

Panduan Jawaban :

Panjang besi mula-mula (Lo) = 100 meter



Perubahan suhu = T – To = 40 oC – 60 oC = -20 Co


Koofisien muai panjang besi = 12 x 10-6 (Co)-1 (lihat tabel di atas)

Gurumuda pakai cara panjang saja… Ok, tancap gas… Panjang kawat besi =

panjang mula2 + perubahan panjang kawat

Ternyata panjang kawat besi berkurang. Kawat besi memendek karena suhunya

menurun.

Pemuaian Volume

Sebelumnya kita sudah mempelajari pemuaian panjang. Kali ini kita akan

membahas pemuaian volume. Kalau pemuaian panjang kebanyakan dialami oleh

benda padat, maka pemuaian volume dialami oleh semua benda/zat, baik padat,

cair maupun gas… biar tidak kelamaan, kita langsung menurunkan persamaan

yang menyatakan hubungan antara perubahan suhu dengan besarnya pemuaian

volume yang dialami benda. Persamaan pemuaian volume mirip dengan

persamaan pemuaian panjang.

Sekarang mari kita oprek persamaan pemuaian panjang menjadi persamaan

pemuaian volume. Gantikan lambang panjang (L) pada persamaan di atas dengan

lambang volume (V). Koofisien muai panjang diganti dengan koofisien muai

volume.

Biar paham, bandingkan 3 persamaan ini dengan 3 persamaan di atas….

Keterangan :


BendaKoofisien muai

volume( K-1 atau (Co)-1 )

Padat

Timah hitam 87 x 10-6

Aluminium 75 x 10-6

Kuningan 56 x 10-6

Tembaga 51 x 10-6

Besi atau Baja 36 x 10-6

Beton dan Bata Mendekati 36 x 10-6

Kaca (Biasa) 27 x 10-6

Grafit 23,7 x 10-6

Kaca (Pyrex) 9 x 10-6

Marmer 4 – 10 x 10-6

Intan 3,6 x 10-6

Invar (Paduan besi – nikel) 2,7 x 10-6

Kwarsa 1 x 10-6

Cair

Karbon disulfida 1150 x 10-6

Ethyl alkohol 1100 x 10-6

Bensin 950 x 10-6

Etanol 750 x 10-6

Gliserin 500 x 10-6

Air 210 x 10-6

Air Raksa 180 x 10-6

Gas Udara 3400 x 10-6


Catatan :

Persamaan pemuaian volume yang telah kita turunkan di atas hanya

berlaku ketika perubahan volume benda (baik padat, cair maupun gas) lebih kecil

dari panjang benda mula2 atau volume benda mula2. Apabila perubahan volume

suatu benda lebih besar dari volume benda mula2 maka persamaan pemuaian

volume tidak memberikan hasil yang tepat. Btw, biasanya perubahan volume yang

dialami oleh benda padat tidak terlalu besar. Karenanya benda padat tidak terlalu

bermasalah…. Yang menjadi persoalan adalah zat cair dan zat gas. Perhatikan

tabel di atas… koofisien volume zat cair lumayan besar. Apalagi koofisien zat

gas, lebih besar lagi…. Koofisien volume untuk zat gas juga sangat sensitiv

terhadap perubahan suhu. Karenanya, mengenai zat gas akan kita oprek lebih

lanjut pada pembahasan mengenai Teori Kinetik Gas (tunggu tahun depan. Materi

kelas XIB)


Agar termometer bisa digunakan untuk mengukur suhu maka perlu

ditetapkan skala suhu. Terdapat 2 skala suhu yang sering digunakan, antara lain

skala celcius dan skala Fahrenheit. Skala yang paling banyak digunakan saat ini

adalah skala celcius (nama lain skala celcius adalah skala centigrade. Centigrade =

seratus langkah). Skala Fahrenheit paling banyak digunakan di Amerika Serikat,

mungkin pingin beda sendiri kali Skala suhu yang cukup penting dalam bidang

sains adalah skala mutlak alias skala Kelvin.

Titik tetap skala celcius dan skala Fahrenheit menggunakan titik beku dan

titik didih air. Titik beku suatu zat merupakan temperatur di mana wujud padat

dan wujud cair berada dalam keseimbangan (tidak ada perubahan wujud zat).

Sebaliknya, titik didih suatu zat merupakan temperatur di mana wujud cair dan

wujud gas berada dalam keseimbangan. Perlu diketahui bahwa titik beku dan titik

didih selalu berubah terhadap tekanan udara, karenanya tekanan perlu ditetapkan

terlebih dahulu. Biasanya kita menggunakan tekanan standar, yakni 1 atm (satu

atmosfir)

Skala CelciusUntuk skala celcius, temperatur titik beku normal air (disebut juga sebagai titik

es) dipilih sebagai nol derajat celcius (0o C) dan temperatur titik didih normal air

(disebut juga sebagai titik uap) dipilih sebagai seratus derajat celcius (100oC). Di

antara titik es dan titik uap terdapat 100 derajat. Pada termometer yang

menggunakan skala celcius, temperatur yang lebih rendah dari temperatur titik es

biasanya ditandai dengan angka negatif.

Skala Fahrenheit


Om Fahrenheit menghendaki agar semua temperatur yang diukur bernilai positif.

Karenanya, ia memilih 0 oF untuk temperatur campuran es dan air garam

(temperatur terdingin yang bisa dicapai air). Ketika mengukur temperatur titik es

dan titik uap, angka yang ditunjukkan pada skala Fahrenheit berupa bilangan

pecahan. Akhirnya beliau mengoprek lagi skalanya sehingga temperatur titik es

dan titik uap berupa bilangan bulat.

Untuk skala Fahrenheit, temperatur titik beku normal air (titik es) dipilih

sebagai 32 derajat Fahrenheit (32o F) dan temperatur titik titik didih normal air

(titik uap) dipilih sebagai 212 derajat Fahrenheit (212o F). Di antara titik es dan

titik uap terdapat 180 derajat.

Normal tuh maksudnya di dalam air tidak ada unsur lain, tidak ada garam,

tidak ada gula, tidak ada teh, tidak ada susu . Jadi murni H20

Konversi skala Suhu

Sekarang mari kita bermain oprek2an. Sebelumnya kita sudah berkenalan

dengan skala om Fahrenheit dan skala om Celcius. Karena kedua skala ini

berbeda, maka alangkah baiknya jika kita belajar mengoprek skala celcius

menjadi skala fahrenheit. Demikian juga sebaliknya, skala fahrenheit dioprek

menjadi skala celcius.

o Catatan :

Apabila kita mengatakan suatu suhu tertentu, maka kita

menyebutnya derajat Celcius (oC) atau derajat Fahrenheit (oF).

Contoh : Pada tekanan 1 atm, suhu air panas = 100 oC atau 180 oF.

Suhu tubuh saya = 98 oF. Sebaliknya, jika kita mengatakan

perubahan suhu atau selisih suhu, maka kita menyebutnya Celcius

derajat (Co) atau Fahrenheit derajat (Fo). Contoh : suhu air mula-

mula 20 oC. Setelah dipanaskan, suhunya berubah menjadi 50 oC.

Dengan demikian, air mengalami perubahan suhu sebesar

30 Celcius derajat (30 Co).

Pada tekanan 1 atm, suhu titik es untuk termometer berskala celcius =

0 oC, sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 32 oF. Sebaliknya, pada


tekanan 1 atm, suhu titik uap untuk termometer berskala Celcius = 100 oC,

sedangkan termometer berskala Fahrenheit = 212 oF. Amati gambar di bawah,

Untuk memudahkanmu mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit

atau mengoprek skala Fahrenheit menjadi skala Celcius, ingat saja 0 oC = 32 oF

dan 100 oC = 212 oF. Sambil lihat gambar di atas… Pada skala Celcius, antara

0 oC sampai 100 oC terdapat 100o. Sedangkan pada skala Fahrenheit, antara 32 oF

sampai 212 oF terdapat 180o.

Mengubah skala Celcius menjadi skala Fahrenheit

Untuk memperoleh suhu dalam skala Fahrenheit (TF), kalikan terlebih dahulu

suhu dalam skala Celcius (TC) dengan 9/5. Setelah itu tambahkan dengan 32o

Contoh soal 1 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 60 oC. Berapakah suhu air panas dalam skala

Fahrenheit ?


Panduan jawaban :

Guampang kok…. Kalikan terlebih dahulu 60 oC dengan 9/5. Setelah itu baru

tambahkan dengan 32o. 60 x 9/5 = 108. 108 + 32 = 140 oF. kesimpulannya, 60oC =

140 oF

Mengubah skala Fahrenheit menjadi skala Celcius

Untuk memperoleh suhu dalam skala Celcius (TC), kurangi terlebih dahulu suhu

dalam skala Fahrenheit (TF) dengan 32o, setelah itu baru kalikan dengan 5/9.

Contoh soal 2 :

Suhu air yang lagi kepanasan = 140 oF. Berapakah suhu air panas dalam skala

Celcius ?

Panduan jawaban :

Kurangi dulu 140 oF dengan 32o. Setelah itu baru kalikan dengan 5/9. 140 – 32 =

108. 108 x 5/9 = 60 oC

Kalibrasi Termometer

Kalibrasi adalah proses membuat skala pada sebuah termometer. Berikut

ini beberapa petunjuk :

Langkah pertama, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah sebuah termometer air

raksa tanpa skala. Syukur kalau di laboratorium sekolahmu sudah ada.Langkah

kedua, keluarkan duit dari dompet dan beli-lah es batu secukupnya.Langkah

ketiga, curi air punya tetangga secukupnya. Langkah keempat, siapkan sebuah

pemanas air yang bisa digunakan untuk memanaskan si air hingga mendidih.

Masukan es batu dan air ke dalam sebuah wadah (usahakan air dan es batu

sama banyak). Setelah itu, masukkan termometer ke dalam wadah yang berisi air


dan es batu tersebut. Karena pada mulanya termometer lebih panas dari air es,

maka setelah dimasukkan ke dalam wadah, panjang kolom air raksa akan

berkurang. Biarkan sampai panjang kolom air raksa tidak berubah (si air raksa

tidak jalan-jalan lagi). Ketika panjang kolom air raksa tidak berubah, campuran es

batu dan air telah berada dalam keseimbangan termal. Tandai posisi kolom air

raksa tersebut (tandai bagian ujung kolom air raksa). Ini adalah suhu titik es alias

titik beku normal air. Amati gambar di bawah biar paham.

Air sudah dipanaskan belum ? kalau belum, silahkan memanaskan air.

Masukkan si termometer ke dalam wadah yang berisi air yang sedang dipanaskan.

Tunggu sampai si air kepanasan dan berdisko ria dalam wadah (maksudnya si air

mendidih). Jika panjang kolom air raksa sudah tidak berubah lagi, tandai ujung

kolom air raksa tersebut. Ini adalah temperatur titik didih normal air alias titik

uap. Amati gambar di bawah.

Jika dirimu ingin membuat skala Celcius, jarak antara kedua tanda dibagi menjadi

100 garis/titik. Usahakan jarak antara setiap garis/titik harus sama. Tanda bagian

bawah = 0o C, sedangkan tanda bagian atas = 100o C. Lihat gambar di bawah :


Jika dirimu ingin membuat skala Fahrenheit, jarak antara kedua tanda

dibagi menjadi 180 garis/titik. Usahakan panjang setiap garis/titik harus sama.

Tanda bagian bawah = 32 oF, sedangkan tanda bagian atas = 212 oF. 32 oF tuh

baru suhu titik es. Karenanya dirimu bisa menambahkan garis atau titik sampai

0 oF. Tambahkan juga garis/titik di sebelah atas 212 oF. Panjang setiap garis/titik

harus sama dengan sebelumnya.

o Catatan :

Suhu titik es dan suhu titik uap tergantung pada tekanan udara.

Karenanya termometer yang dikalibrasi di tempat yang tekanannya

berbeda akan memberikan hasil berbeda. Termometer biasa seperti

termometer air raksa atau termometer alkohol, biasanya bersifat

terbatas. Termometer tersebut tidak bisa digunakan untuk mengukur

suhu yang sangat rendah atau suhu yang sangat tinggi.

Termometer Gas Volume-Konstan dan Skala Kelvin

Sebelumnya kita sudah mempelajari cara mengkalibrasi suatu termometer.

Termometer yang kita gunakan adalah termometer air raksa yang belum punya

skala. Btw, seandainya kita mengkalibrasi 2 termometer yang jenisnya berbeda,

misalnya termometer air raksa dan termometer alkohol, skala kedua termometer

tersebut mungkin hanya cocok pada 0 oC (atau 32 oF) dan 100 oC (atau 212 oF).


Apabila kita menggunakan kedua termometer tersebut untuk mengukur

suhu ruangan, angka yang ditunjukkan belum tentu sama. Bisa saja termometer air

raksa menujukkan angka 48 oC, sedangkan termometer alkohol menunjukkan

angka 46 oC. Hal ini disebabkan karena kecepatan pemuaian setiap materi

berbeda2. Demikian juga dengan jenis termometer yang lain, seperti termometer

bimetal dkk. Skala suhu yang ditetapkan dengan cara ini sangat bergantung pada

sifat materi yang digunakan. Materi yang gurumuda maksud adalah si air raksa,

alkohol, keping bimetal dkk.

Karena skala suhu yang ditetapkan menggunakan termometer biasa

mempunyai keterbatasan (skala suhu tergantung pada sifat materi yang

digunakan), maka kita membutuhkan sebuah termometer standar. Adanya

termometer standar membantu kita untuk menetapkan skala suhu secara lebih

tepat, tanpa harus bergantung pada sifat suatu materi.

Termometer yang nyaris sempurna/ideal adalah termometer gas volume-

konstan. Prinsip kerja si termometer gas volume-konstan adalah sebagai berikut.

Volume gas dijaga agar selalu tetap alias tidak berubah. Nah, ketika suhu

bertambah, tekanan gas juga ikut - ikutan bertambah.


Dalam pipa 1 dan pipa 2 terdapat air raksa. Volume gas dijaga agar selalu

konstan, dengan cara menaikan atau menurunkan pipa 2 sehingga permukaan air

raksa dalam pipa 1 selalu berada pada tanda acuan. Jika suhu alias temperatur

meningkat, tekanan gas dalam tabung juga ikut2an bertambah. Karenanya, pipa 2

harus diangkat lebih tinggi agar volume gas selalu konstan. Tekanan gas bisa

diketahui dengan membaca tinggi kolom air raksa (h) dalam pipa 2. Kalau pakai

cara manual, ingat saja kolom air raksa setinggi 760 mm = tekanan 1 atm (1

atmosfir). Mengenai hal ini bisa dipelajari pada pokok bahasan Tekanan pada

Fluida. Materinya sudah ada di blog ini.Biasanya pada termometer gas volume

konstan yang canggih sudah ada alat penghitung tekanan. Wadah yang berisi gas

juga sudah dirancang agar gas selalu berada dalam volume yang tetap. Jadi yang

diukur hanya perubahan tekanannya saja.

Untuk mengkalibrasi termometer gas volume konstan, kita bisa mengukur

tekanan gas pada 2 suhu. Misalnya kita gunakan suhu titik es dan suhu titik uap.

Suhu titik es dan suhu titik uap bergantung pada tekanan udara. Biasanya pada

tekanan 1 atm, suhu titik es = 0 oC dan suhu titik uap = 100 oC. Anggap saja kita

mengkalibrasi termometer gas volume konstan pada tempat yang mempunyai

tekanan udara 1 atm.

Pertama, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi es batu dan

air. Volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2 harus diturunkan

sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan. Jika

volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada pipa 2.

Gunakan h untuk menghitung tekanan. Btw, kalau pakai termometer gas yang

canggih, tabung yang berisi gas langsung dicelup saja ke dalam wadah yang berisi

es batu dan air. Sudah ada alat pengukur tekanan, tinggal dibaca saja tekanan gas

berapa. Catat besar tekanan gas tersebut (anggap saja ini tekanan 1 = P1)

Kedua, tabung gas dimasukkan ke dalam wadah yang berisi air yang lagi

dipanaskan. Seperti biasa, volume gas dijaga agar selalu tetap, karenanya pipa 2

dinaikkan sehingga permukaan air raksa pada pipa 1 tetap berada pada titik acuan.

Jika volume gas sudah tidak berubah, catat ketinggian kolom air raksa (h) pada

pipa 2. Gunakan h untuk menghitung tekanan gas. (anggap saja ini tekanan 2 = P2)


Ketiga, buat grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan suhu, lihat

contoh di bawah.

P1 adalah tekanan gas untuk suhu titik es (0 oC) dan P2 adalah tekanan gas

untuk suhu titik uap (100 oC). Gambarkan sebuah garis yang menghubungkan titik

temu P1 dan 0 oC dan titik temu P2 dan 100 oC. Dengan berpedoman pada grafik,

walaupun kita hanya mengetahui besar tekanan gas, besar suhu juga bisa diketahui

dengan mudah bahkan bisa diramalkan.

Skala Kelvin

Sekarang tataplah grafik di atas dengan penuh kelembutan. Jika garis

miring ditarik ke kiri sampai memotong sumbu T oC, kita akan menemukan

bahwa ketika tekanan gas = 0, besar suhu = -273,15 oC. Mungkin kita berpikir

bahwa besar suhu tersebut berbeda-beda, tergantung pada jenis gas yang dikurung

dalam tabung termometer gas volume konstan. Btw, berdasarkan hasil percobaan,

walaupun jenis gas berbeda, ketika tekanan gas menjadi nol, besar suhu tetap

bernilai -273,15 oC. Dengan demikian, kita bisa menggunakan besar suhu ini

sebagai patokan skala suhu (disebut juga sebagai suhu alias temperatur nol

mutlak).

Temperatur nol mutlak ini dikenal dengan julukan skala mutlak alias

skala suhu Kelvin. Kirain skala suhu gurumuda Kelvin adalah nama almahrum

Lord Kelvin (1824-1907), mantan fisikawan Inggris. Sekarang beliau sudah

beristirahat di alam baka, karenanya gurumuda menyebutnya mantan fisikawan.

Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K). Selang antara derajat sama


sperti pada skala celcius, tetapi harga nol digeser hingga 0 K. Jadi 0 K = -

273,15 oC dan 273,15 K = 0 oC. Suhu dalam skala Celcius dapat diubah menjadi

skala Kelvin dengan menambahkan 273,15, suhu dalam skala Kelvin bisa diubah

menjadi skala Celcius dengan mengurangi 273,15. Secara matematis, bisa ditulis

sebagai berikut :

T (K) = T (oC) + 273,15

T (oC) = T (K) – 273,15

Contoh soal 1 :

20 oC = …. K ?

Panduan jawaban….

T = 20 + 273,15 = 293,15 K

Contoh soal 2 :

293,15 K = …. oC ?

Panduan juawaban….

T = 293,15 – 273,15

T = 20 oC


Robert Boyle menyatakan tentang sifat gas bahwa massa gas (jumlah

mol) dan temperatur suatu gas dijaga konstan, sementara volume gas diubah

ternyata tekanan yang dikeluarkan gas juga berubah sedemikian hingga perkalian

antara tekanan (P) dan volume (V) , selalu mendekati konstan. Dengan demikian

suatu kondisi bahwa gas tersebut adalah gas sempurna (ideal).

Kemudian hukum ini dikenal dengan Hukum Boyle dengan persamaan :

RUMUS :

P1V1 = selalu konstan

Atau , jika P1 dan V1 adalah tekanan awal dan volume awal,sedangkan P2 dan V2

adalah tekanan dan volume akhir, maka :

RUMUS :

P1.V1 = P2.V2 = konstan

Dengan gabungan dari hukum Boyle dan Gay Lussac, maka dengan

keadaan massa gas konstan, berlaku :

RUMUS :

=konstan

Dimana P1,V1 dan T1 adalah tekanan, volume dan temperatur pada keadaan awal

dan P2, V2 dan T2 adalah tekanan, volume dan temperatur pada gas dimana sistem

pada keadaan akhir.

Syarat berlakunya hukum Boyle adalah bila gas berada dalam keadaan

ideal (gas sempurna), yaitu gas yang terdiri dari satu atau lebih atom-atom dan

dianggap identik satu sama lain. Setiap molekul tersebut tersebut bergerak swcara

acak, bebas dan merata serta memenuhi persamaan gerak Newton. Yang

dimaksud gas sempurna (ideal) dapat didefinisikan bahwa gas yang

perbangdingannya PV/nT nya dapat idefinisikan sama dengan R pada setiap besar

tekanan. Dengan kata lain, gas sempurna pada tiap besar tekanan bertabiat sama

seperti gas sejati pada tekanan rendah.

Persaman gas sempurna :

P.V = n.R.T

Keterangan : P : tekanan gas

V : volume gas


n : jumlah mol gas

T : temperatur mutlak ( Kelvin)

R : konstanta gas universal

(0,082liter.atm.mol-1.K-1)

Ada beberapa proses yang dapat terjadi pada gas, yaitu:

1. Proses Isothermis

adalah proses perubahan keadaan gas pada suhu konstan.

P2

P1

V1 V2

Grafik 1 : Grafik Isothermis

2. Proses Isobaris

adalah proses perubahan keadaan gas pada tekanan konstan.

P

V1 V2

Grafik 2 : Grafik Isobarik

3. Proses Isokhoris

adalah proses perubahan keadaan gas pada volume konstan.

P1


P =

P2

V

Grafik 3 : Grafik Isokhoris

4. Proses Adiabatis

adalah proses perubahan keadaan gas pada saat tidak ada kalor/panas yang

keluar masuk sistem.

P2

P1

V1 V2

Garfik 4 : Grafik Adiabatik

Pemantulan Dan Pembiasan Cahaya


Berikut ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai pemantulan dan pembiasan cahaya, terutama cara untuk mendapat arah pantul dan arah bias dari cahaya tersebut.

Pemantulan CahayaSinar yang datang mengenai suatu permukaan obyek akan dipantulkan

dengan sudut yang sama besar terhadap normal pada bidang yang dikenai. Gambaran dari sinar dating dan sinar pantul dapat dilihat pada gambar 1. Secara sederhana dapat dikatakan sudut antara dengan sama besar dengan sudut antara dengan .

Gambar 1. Pembentukan sinar pantul

Untuk mencari arah sinar pantul dapat dirumuskan (Whit 1980) seperti pada persamaan 1.

= 2 * N * (N L) – L ( 1 )

Dinama : = sinar pantul= normal

= negasi dari sinar datang

Pembiasan Cahaya

Sinar yang mengenai benda transparan akan dibiaskan. Hasil pembiasan tergantung pada kerapatan material obyek. Sinar bias dihitung dengan acuan vektor normal dari obyek seperti yang terlihat pada gambar 2. Perhatikan sinar b yang berasal dari medium satu, kecepatan sinar di medium satu adalah c1 dan membentuk sudut datang θ1 terhadap garis normal, mengenai dan melewati obyek dengan medium dua, kecepatan sinar pada medium dua adalah c2 dan sudut pembiasan yang terbentuk antara sinar bias dengan normal adalah θ2, maka hukum Snell dinyatakan pada persamaan 2.

(2) c adalah satu banding n sehingga persamaan diatas dapat ditulis dengan

sin(θ1) * n1 = sin(θ2) * n2 (3)dimana : θ1 dan θ2 = sudut dating dan sudut pantul

c1 dan c2 = kecepatan sinar di medium asal dan tujuan


n1 dan n2 = index bias medium asal dan tujuan sinar

Jika sudut biasnya 90º maka sinar tidak dibiaskan tetapi dipantulkan secara sempurna. Untuk mencari arah sinar yang sudah dibiaskan (d), seperti yang terlihat pada gambar 2 di dapat dengan persamaan (Hill 1990) seperti pada persamaan 4,5 dan 6.

(4)

(5)

(6)

Dimana : d = sinar bias.δ = jarak antara cahaya yang dibiaskan dengan garis

normal.Un= normal bidangc1= kecepatan pada medium 1 c2= kecepatan pada medium 2b = sinar dating yang mengenai suatu permukaan obyek

Gambar pembiasan cahaya menurut hukum Snell terlihat pada gambar 2.

Gambar 2. Pembiasan sinar dari medium 1

Bila gaya diberikan pada balok tersebut memberikan tegangan tarik, maka balok tersebut juga mengalami perubahan bentuk yang disebut regangan.

Lo


LF F

L

Regangan tarik = L - Lo = L Lo Lo

Regangan tekan dapat didefinisikan dengan cara sama, dengan L sebagai pengurangan panjang.

Bila gaya yang diberikan memberikan tegangan geser maka perubahan bentuk pada balok menjadi :

x b b’ c c’

h

a,a’ d,d’

Regangan geser = x/h = tg ( karena x << h)

Regangan dikarenakan tekanan hidrostatis disebit regangan volume :

Regangan volume = V V

Pada Gerak Harmonik Sederhana, gaya yang bekerja pada benda dan

pegas tidak tetap alias selalu berubah-ubah. Oleh karenanya, lebih mudah jika kita

menggunakan pendekatan energi. Untuk menekan atau meregangkan pegas, kita

memberikan energi pada pegas tersebut. Energi yang disimpan pada pegas yang

tertekan atau teregang merupakan energi potensial. Ketika pegas yang kita tekan

atau kita regangkan dilepaskan, maka energi potensial pegas berubah menjadi


http://www.gurumuda.com/energi-potensial-dan-energi-kinetik/

energi kinetik. Demikian juga pada ayunan sederhana. Ketika benda yang

digantungkan pada seutas tali kita simpangkan sampai jarak tertentu dari posisi

setimbangnya, pada benda tersebut terdapat Energi Potensial. Jika ayunan

dilepaskan sehingga benda bergerak, Energi Potensial akan berubah menjadi

energi kinetik. Jadi benda yang bergerak harmonik memiliki energi potensial dan

energi kinetik. Jumlah total energi potensial dan energi kinetik adalah energi

mekanik.

Energi Potensial pada Pegas

Untuk menghitung energi potensial pada pegas, terlebih dahulu kita hitung kerja

alias usaha yang dibutuhkan untuk meregangkan pegas.

Persamaan Usaha adalah W = F s, di mana F adalah gaya dan s adalah

perpindahan. Pada pegas, perpindahan adalah simpangan x. Ketika kita menekan

atau meregangkan pegas sejauh x, dibutuhkan gaya Fa yang berbanding lurus

dengan x. Secara matematis ditulis Fa = kx. Ketika ditekan atau diregangkan,

pegas memberikan gaya dengan arah berlawanan (Fb) yang besarnya adalah Fb = -

kx.

Untuk menghitung energi potensial dari pegas yang tertekan atau teregang,

terlebih dahulu kita hitung usaha atau kerja yang dibutuhkan untuk

merentangkannya. Kita tidak bisa menggunakan persamaan usaha W = Fx, karena

gaya Fa baik ketika pegas diregangkan maupun ditekan selalu berubah-ubah

sepanjang x. (amati gambar di atas). Oleh karena itu kita menggunakan gaya rata-

rata. Gaya Fa berubah dari 0 ketika x=0 sampai bernilai kx ketika pegas

diregangkan atau ditekan sejauh x.


Gaya rata-rata = F = ½ (0 + kx) = ½ kx. x adalah jarak maksimum pegas

yang diregangkan atau ditekan. Usaha alias kerja yang dilakukan adalah :

W = Fa x = (1/2 kx) (x) = ½ kx2

Dengan demikian, nilai Energi Potensial elastis adalah :

EP elastis = ½ kx2

Energi Kinetik pada Pegas

Perlu anda ketahui bahwa Energi Potensial tidak mempunyai suatu persamaan

umum yang mewakili semua jenis gerakan. Untuk EP elastis telah kita turunkan

pada pembahasan di atas. Berbeda dengan EP, persamaan EK bersifat umum

untuk semua jenis gerakan. Energi Kinetik dimiliki benda ketika bergerak.

Besar energi kinetik adalah :

EK = ½ mv2

m adalah massa benda dan v adalah kecepatan gerak benda.

Jumlah total Energi Kinetik dan Energi Potensial dari pegas adalah Energi

Mekanik. Energi tersebut bernilai tetap alias kekal. Secara matematis ditulis :

EM = EP + EK

Sekarang, mari kita tinjau lebih mendalam hukum kekekalan energi

mekanik pada pegas. Getaran pegas terdiri dari dua jenis, yakni getaran pegas

yang diletakan secara horisontal dan getaran pegas yang digantungkan secara

vertikal.

Hukum Kekekalan Energi Mekanik Pada Pegas

Pegas yang diletakan horisontal

Misalnya kita letakan sebuah pegas di atas permukaan meja. Salah satu

ujung pegas telah diikat pada dinding, sehingga pegas tidak bergeser ketika

digerakan. Anggap saja permukaan meja sangat licin dan pegas yang kita gunakan

adalah pegas ideal sehingga memenuhi hukum Hooke. Sekarang kita kaitkan

sebuah benda pada salah satu ujung pegas.


http://www.gurumuda.com/hukum-hooke-elastisitas/

Jika benda kita tarik ke kanan sehingga pegas teregang sejauh x, maka

pada benda bekerja gaya pemulih pegas, yang arahnya berlawanan dengan arah

tarikan kita. Ketika benda berada pada simpangan x, EP benda maksimum

sedangkan EK benda nol (benda masih diam).

Ketika benda kita lepaskan, gaya pemulih pegas menggerakan benda ke

kiri, kembali ke posisi setimbangnya. EP benda menjadi berkurang dan menjadi

nol ketika benda berada pada posisi setimbangnya. Selama bergerak menuju posisi

setimbang, EP berubah menjadi EK. Ketika benda tepat berada pada posisi

setimbang (x = 0), gaya pemulih pegas bernilai nol tetapi pada titik ini kecepatan

benda maksimum. Karena kecepatannya maksimum, maka ketika berada pada

posisi setimbang, EK bernilai maksimum.


Benda masih terus bergerak ke kiri karena ketika berada pada posisi

setimbang karena benda memiliki kecepatan yang bernilai maksimum. Ketika

bergerak ke kiri, Gaya pemulih pegas menarik benda kembali ke posisi setimbang,

sehingga benda berhenti sesaat pada simpangan sejauh -x dan bergerak kembali

menuju posisi setimbang. Ketika benda berada pada simpangan sejauh -x, EK

benda = 0 karena kecepatan benda = 0. pada posisi ini EP bernilai maksimum.

Pada penjelasan di atas, tampak bahwa ketika bergerak dari posisi

setimbang menuju ke kiri sejauh x = -A (A = amplitudo/simpangan terjauh),

kecepatan benda menjadi berkurang dan bernilai nol ketika benda tepat berada

pada x = -A. Karena kecepatan benda berkurang, maka EK benda juga berkurang

dan bernilai nol ketika benda berada pada x = -A. Akibat adanya gaya pemulih

pegas yang menarik benda kembali ke kanan (menuju posisi setimbang), benda


memperoleh kecepatan dan Energi Kinetiknya lagi. EK benda bernilai maksimum

ketika benda tepat berada pada x = 0, karena laju gerak benda pada posisi tersebut

bernilai maksimum. Proses perubahan energi antara EK dan EP berlangsung terus

menerus selama benda bergerak bolak balik. Total EP dan EK selama benda

bergetar besarnya tetap alias kekal bin konstan.

Pegas yang diletakan vertikal

Pada dasarnya osilasi alias getaran dari pegas yang digantungkan secara vertikal

sama dengan getaran pegas yang diletakan horisontal. Bedanya, pegas yang

digantungkan secara vertikal lebih panjang karena pengaruh gravitasi yang

bekerja pada benda (gravitasi hanya bekerja pada arah vertikal, tidak pada arah

horisontal). Mari kita tinjau lebih jauh Kekekalan Energi Mekanik pada pegas

yang digantungkan secara vertikal…

Pada pegas yang kita letakan horisontal (mendatar), posisi benda disesuaikan

dengan panjang pegas alami. Pegas akan meregang atau mengerut jika diberikan

gaya luar (ditarik atau ditekan). Nah, pada pegas yang digantungkan vertikal,

gravitasi bekerja pada benda bermassa yang dikaitkan pada ujung pegas.

Akibatnya, walaupun tidak ditarik ke bawah, pegas dengan sendirinya meregang

sejauh x0. Pada keadaan ini benda yang digantungkan pada pegas berada pada

posisi setimbang.

Berdasarkan hukum II Newton, benda berada dalam keadaan setimbang jika gaya

total = 0. Gaya yang bekerja pada benda yang digantung adalah gaya pegas (F0 = -


http://www.gurumuda.com/hukum-newton-2/

kx0) yang arahnya ke atas dan gaya berat (w = mg) yang arahnya ke bawah. Total

kedua gaya ini sama dengan nol. Mari kita analisis secara matematis…

Gurumuda tetap menggunakan lambang x agar anda bisa membandingkan dengan

pegas yang diletakan horisontal. Dirimu dapat menggantikan x dengan y. Resultan

gaya yang bekerja pada titik kesetimbangan = 0. Hal ini berarti benda diam alias

tidak bergerak.

Jika kita meregangkan pegas (menarik pegas ke bawah) sejauh x, maka pada

keadaan ini bekerja gaya pegas yang nilainya lebih besar dari pada gaya berat,

sehingga benda tidak lagi berada pada keadaan setimbang (perhatikan gambar c di

bawah).

Total kedua gaya ini tidak sama dengan nol karena terdapat pertambahan jarak

sejauh x; sehingga gaya pegas bernilai lebih besar dari gaya berat. Ketika benda

kita diamkan sesaat (belum dilepaskan), EP benda bernilai maksimum sedangkan

EK = 0. EP maksimum karena benda berada pada simpangan sejauh x. EK = 0

karena benda masih diam.

Karena terdapat gaya pegas (gaya pemulih) yang berarah ke atas maka benda akan

bergerak ke atas menuju titik setimbang. (sambil lihat gambar c di bawah ya).


Ketika mencapai titik setimbang, besar gaya total = 0, tetapi laju gerak benda

bernilai maksimum (v maks). Pada posisi ini, EK bernilai maksimum, sedangkan

EP = 0. EK maksimum karena v maks, sedangkan EP = 0, karena benda berada

pada titik setimbang (x = 0).

Karena pada posisi setimbang kecepatan gerak benda maksimum, maka benda

bergerak terus ke atas sejauh -x. Laju gerak benda perlahan-lahan menurun akibat

adanya gaya berat yang menarik benda ke bawah, sedangkan besar gaya pemulih

meningkat dan mencapai nilai maksimum pada jarak -x. Ketika benda berada pada

simpangan sejauh -x, EP bernilai maksimum sedangkan EK = 0. Setelah mencapai

jarak -x, gaya pemulih pegas menggerakan benda kembali lagi ke posisi

setimbang (lihat gambar di bawah). Demikian seterusnya. Benda akan bergerak ke

bawah dan ke atas secara periodik. Selama benda bergerak, selalu terjadi

perubahan energi antara EP dan EK. Energi Mekanik bernilai tetap. Ketika benda

berada pada titik kesetimbangan (x = 0), EM = EK. Ketika benda berada pada

simpangan sejauh -x atau +x, EM = EP.


Energi Potensial sebuah pegas dengan konstanta gaya k yang teregang sejauh x

dari kesetimbangannya dinyatakan dengan persamaan :

EP = ½ kx2

Energi Kinetik sebuah benda bermassa m yang bergerak dengan kelajuan v ialah :

EK = ½ mv2

Energi Total (Energi Mekanik) adalah jumlah Energi Potensial dan Energi Kinetik

:

EM = EP + EK = ½ kx2 + ½ mv2

Ketika benda berada pada simpangan maksimum, x = A (A = Amplitudo),

kecepatan benda = 0, sehingga Energi Mekanik benda :

EM = ½ kA2

Persamaan ini memberikan sifat umum penting yang dimiliki Gerak Harmonik

Sederhana (GHS) : Energi total pada Gerak Harmonik Sederhana berbanding

lurus dengan kuadrat amplitudo.

Referensi


Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit

Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit

Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta :

Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan),

Jakarta : Penerbit Erlangga


Weeblysinggihedu.weebly.com/uploads/1/8/7/0/1870258/instrumen.doc · Web viewSetiap benda padat, apapun itu pasti mengalami pemuaian panjang, meskipun tidak semua bagian benda itu

Documents