Kamu cairan bisa menderita ekspansi termal, serta padatan, saat dipanaskan. Pemuaian zat cair terjadi ketika suhunya meningkat, sehingga molekulnya lebih gelisah. Untuk menentukan pelebaran volume cairan, kita perlu mengetahui koefisien ekspansi volumetrik, tetapi juga pelebaran yang diderita oleh wadah yang berisi cairan ini.
Dilatasi yang dialami zat cair disebut pelebaran volumetrik. Dalam jenis pelebaran ini, semua dimensi benda atau cairan, seperti cairan dan gas, mengalami peningkatan yang signifikan sebagai respons terhadap peningkatan suhu. Fenomena ini muncul karena agitasi termal molekul tubuh: semakin tinggi suhu, semakin besar amplitudo agitasi molekul-molekul ini, yang mulai bergerak dalam ruang yang lebih besar.
Lihatjuga: Konsep Dasar Hidrostatika
Rumus ekspansi volumetrik
Kita dapat menghitung ekspansi volumetrik yang dialami oleh cairan menggunakan rumus berikut:
V — variasi volume (m³)
V0— volume awal (m³)
γ — koefisien ekspansi volumetrik (°C-1)
T — variasi suhu (°C)
Rumus yang ditunjukkan di atas dapat digunakan untuk menghitung kenaikan volume (
V) zat cair karena perubahan suhu (T). Dengan beberapa manipulasi aljabar, dimungkinkan untuk menulis rumus yang sama seperti di atas dalam format yang memungkinkan kita untuk menghitung volume akhir cairan secara langsung setelah memanaskannya, lihat:
V — volume cairan akhir
Perhatikan bahwa, dalam kedua rumus, perlu diketahui berapa konstan, dikenal sebagai koefisien ekspansi volumetrik. Besarnya ini, diukur dalam C-1(Bunyinya: 1 pada derajat Celcius), ini memberi kita seberapa besar pemuaian suatu zat, untuk setiap 1°C perubahan suhunya.
Koefisien ekspansi volumetrik
Koefisien muai volumetrik adalah sifat fisik yang mengukur seberapa besar perubahan volume benda untuk perubahan suhu tertentu. Kuantitas ini tidak konstan, dan nilainya dapat dianggap konstan hanya untuk beberapa rentang suhu. Lihat beberapa nilai-nilai khas dari koefisien muai beberapa zat dalam keadaan cair, pada suhu 20 °C:
Zat |
Koefisien ekspansi volumetrik (°C-1) |
air |
1,3.10-4 |
Air raksa |
1,8.10-4 |
Etil alkohol |
11,2.10-4 |
Aseton |
14,9.10-4 |
Gliserin |
4,9.10-4 |
Sebagaimana dinyatakan di atas, koefisien muai volumetrik memiliki ketergantungan dengan suhu, yaitu, modul Anda mungkin berfluktuasi selama pemanasan atau pendinginan. Oleh karena itu, untuk melakukan perhitungan, kami menggunakan koefisien muai yang berada dalam rentang suhu, di mana grafik V x T memiliki format linier. Menonton:
Antara suhu T1 dan T2, koefisien muainya tetap.
Dilatasi cairan yang jelas
Pemuaian zat cair ditentukan oleh volume zat cair yaitu meluap jika sebuah wadah penuh dengan cairan ini adalah dipanaskan. Namun, jika wadah mengalami variasi volume yang sama dengan variasi volumetrik yang diderita cairan, tidak ada cairan yang meluap.
Volume cairan yang meluap pada gambar sesuai dengan pemuaian yang tampak.
Rumus Dilatasi Jelas
Untuk menghitung volume cairan yang meluap dari botol, kita harus menggunakan rumus pelebaran semu, perhatikan:
Vap - Dilatasi semu (m³)
V0 — volume cairan awal (m³)
γap — koefisien muai volumetrik semu (°C-1)
T — variasi suhu (°C)
Dalam rumus di atas, Vap sesuai dengan volume cairan yang meluap, sedangkan γap adalah koefisien ekspansi semu. Untuk mengetahui cara menghitung koefisien muai semu, kita harus memperhitungkan muai yang dialami labu (VF) yang berisi cairan. Untuk melakukannya, kita akan menggunakan rumus berikut:
VF — ekspansi botol (m³)
V0— volume awal botol (m³)
γF — koefisien muai volumetrik labu (°C-1)
T — variasi suhu (°C)
Dalam ekspresi sebelumnya, γF mengacu pada koefisien ekspansi volumetrik wadah yang berisi cairan, dan VF mengukur berapa pelebaran botol itu. Jadi, pemuaian sebenarnya yang dialami zat cair (VR) dapat dihitung sebagai jumlah pelebaran semu dengan pelebaran vial, perhatikan:
VR—pelebaran cairan yang sebenarnya
Vap - pelebaran cairan yang jelas
VR - pelebaran botol yang sebenarnya
Setelah beberapa manipulasi aljabar dengan rumus yang disajikan, adalah mungkin untuk mencapai hasil berikut:
γ — koefisien ekspansi cairan nyata (°C-1)
γF — koefisien muai volumetrik labu (°C-1)
γap — koefisien muai volumetrik semu (°C-1)
Hubungan di atas menunjukkan bahwa koefisien muai sebenarnya dari cairan dapat ditemukan dengan menggunakan jumlah diantara koefisien dilatasi semu ini adalah koefisien ekspansi labu.
pelebaran anomali air
Air memiliki perilaku anomali tentang ekspansi termal antara suhu 0 °C dan 4 °C, pahami: memanaskan air dari 0 °C hingga 4 °C, Anda volume berkurang, bukannya meningkat. Untuk alasan ini, dalam keadaan cair, massa jenis air memiliki Anda nilai tertinggi untuk suhu 4°C. Grafik di bawah ini membantu untuk memahami perilaku kerapatan dan volume air sebagai fungsi suhunya, perhatikan:
Pada suhu 4°C, massa jenis air paling tinggi.
Akibat perilaku ini, minuman bersoda atau botol air akan pecah jika dibiarkan terlalu lama di dalam freezer. Ketika air mencapai suhu 4°C, volumenya paling sedikit ditempati oleh air cair, jika pendinginan berlanjut, volume air akan bertambah bukannya berkurang. ketika air mencapai 0 °C, volume air akan meningkat pesat, sementara wadahnya akan mengurangi ukurannya sendiri, menyebabkannya istirahat.
Botol berisi air yang masuk ke freezer bisa pecah saat mencapai 0 °C.
Konsekuensi lain dari perilaku air yang tidak normal ini adalah tidak ada pembekuan dasar sungai di daerah yang sangat dingin. Ketika suhu air mendekati 0 °C, kerapatannya berkurang, dan kemudian air dingin naik, karena kemampuan mengapung. Saat naik, air dingin membeku, membentuk lapisan es di atas sungai. karena es itu enak isolator termal, dasar sungai tetap pada suhu sekitar 4 C, karena pada suhu ini densitasnya maksimum dan cenderung tetap berada di dasar sungai.
Alasan di balik perilaku anomali air memiliki asal molekul: antara 0 °C dan 4 °C, daya tarik listrik antara molekul air mengatasi agitasi termal, karena adanya ikatan hidrogen yang ada di antara molekul air. Air.
Lihatjuga: Bagaimana ekspansi air anomali terjadi?
latihan yang diselesaikan
1) Tentukan koefisien muai volumetrik dari 1 m³ bagian cairan yang mengalami pemuaian 0,05 m³ ketika dipanaskan dari 25 °C menjadi 225 °C.
Resolusi:
Mari kita hitung koefisien muai zat cair yang dimaksud dengan menggunakan rumus muai volumetrik:
Menerapkan data yang diberikan oleh pernyataan ke rumus sebelumnya, kami akan membuat perhitungan berikut:
2) Sebuah labu kaca, yang koefisien muai volumetriknya adalah 27,10-6 °C-1, memiliki kapasitas termal 1000 ml, pada suhu 20 C, dan terisi penuh dengan cairan yang tidak diketahui. Ketika kita memanaskan set hingga 120 C, 50 ml cairan keluar dari wadah. Tentukan koefisien ekspansi yang tampak; koefisien ekspansi aktual cairan; dan pelebaran yang dialami oleh botol kaca.
Resolusi:
Mari kita hitung koefisien muai semu, untuk itu, kita akan menggunakan rumus berikut:
Dengan menggunakan data latihan, kami akan melakukan perhitungan berikut:
Selanjutnya, kita akan menghitung koefisien ekspansi aktual cairan. Untuk melakukannya, kita perlu menghitung pelebaran yang dialami oleh botol kaca:
Mengganti data yang disediakan oleh pernyataan latihan, kita harus menyelesaikan perhitungan berikut:
Dengan perhitungan di atas, kami menentukan berapa ekspansi yang dialami oleh labu kaca. Jadi, untuk menemukan pemuaian nyata dari cairan, cukup tambahkan volume dilatasi semu ke volume pemuaian labu:
Hasil yang diperoleh pada jawaban di atas menunjukkan bahwa cairan di dalam botol mengalami pemuaian sebenarnya sebesar 52,7 ml. Akhirnya, mari kita hitung koefisien ekspansi nyata cairan:
Dengan menggunakan rumus di atas, kami menghitung koefisien muai air nyata yang sama dengan:
Oleh karena itu, koefisien muai panas cairan ini adalah 5.27.10-4 °C-1.
Oleh Saya. Rafael Helerbrock
Sumber: Sekolah Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/dilatacao-liquidos.htm