Suhu dan Perubahannya: Termometer, Skala & Pemuaian

Apa itu suhu? Suhu adalah satuan yang menyatakan tingkat panas dinginnya suatu benda. Bagaimana kita dapat mengetahui suhu suatu benda? Tentunya indra perasa kita (manusia) dapat membedakannya, namun bagaimana jika kita ingin mengetahui secara spesifik besaran dari suhu suatu benda? Berikut adalah penjelasan mengenai suhu dan perubahannya dilengkapi berbagai konteks yang menyelubunginya.

Bagaimana Mengetahui Suhu Benda?

Suhu sebuah benda adalah tingkat (derajat) panas suatu benda. Benda yang panas mempunyai derajat panas lebih tinggi daripada benda yang dingin. Seperti yang sudah dipaparkan sebelumnya, indra perasa dapat merasakan suhu. Akan tetapi, indra perasa bukan pengukur tingkat panas yang andal.

Sifat indra perasa dalam merasakan suhu hanya sebatas untuk memperingatkan kita akan bahaya suhu yang akan menyebabkan gangguan pada tubuh kita, baik terlalu panas, maupun terlalu dingin. Bahkan, benda yang tingkat panasnya sama akan dirasakan berbeda oleh tangan kanan dan kiri kita.

Jadi, suhu benda yang diukur dengan indra perasa menghasilkan ukuran suhu kualitatif atau subjektif yang tidak dapat dipakai sebagai acuan. Suhu yang akurat harus diketahui dalam keadaan tertentu, misalnya untuk menentukan sakit atau tidaknya seseorang.

Lalu bagaimana caranya untuk mengetahui suhu? Suhu harus diukur secara kuantitatif menggunakan alat ukur suhu yang disebut termometer.

Jenis-Jenis Termometer

Terdapat beberapa jenis termometer yang memiliki mekanisme dan tingkat akurasi yang berbeda-beda. Berikut adalah penjelasan dari beberapa jenis-jenis termometer.

Termometer Zat Cair

Secara umum, jika suhu benda-benda di alam naik, maka benda tersebut akan memuai atau ukurannya bertambah besar. Kenyataan tersebut dapat dimanfaatkan untuk membuat termometer dari zat cair. Benda alam yang berbentuk zat cair digunakan karena memiliki keistimewaan terhadap perubahan suhu.

Zat cair yang umumnya digunakan untuk membuat termometer zat cair adalah raksa atau alkohol jenis tertentu. Raksa memiliki keistimewaan, yaitu warnanya mengkilat dan cepat bereaksi terhadap perubahan suhu. Selain itu, raksa membeku pada suhu rendah (-38^o C) dan mendidih pada suhu yang tinggi (lebih dari 350^o C) sehingga air raksa dapat digunakan mengukur suhu pada rentang suhu yang lebar. Namun, raksa sangat beracun, sehingga berbahaya jika termometer pecah.

Sementara itu, alkohol sebagai pengisi thermometer zat cair biasanya diberi pewarna biru atau merah. Rentang suhu yang dapat diukur sangat tergantung pada jenis alkohol yang digunakan, contohnya:

1. Toluen, memiliki rentang suhu yang dapat diukur dari -90^o C hingga 100^o C;
2. Ethyl alcohol, memiliki rentang suhu -110^o C hingga 100^o C.

Tidak seperti raksa, alkohol tidak terlalu berbahaya jika tidak terkonsumsi, dan sangat mudah untuk menguap, sehingga lebih aman digunakan sebagai pengisi termometer jika dibandingkan dengan raksa.

Jenis termometer zat cair dapat dibedakan kembali menjadi dua berdasarkan penggunaannya, yakni termometer laboratorium, dan termometer suhu badan.

Termometer laboratorium

Termometer laboratorium adalah termometer yang dirancang untuk penggunaan di laboratorium. Bentuknya panjang, memiliki rentang pengukuran suhu dari -10°C sampai 110°C dan menggunakan isian zat cair raksa, atau alkohol.

Termometer suhu badan

Termometer suhu badan ini digunakan untuk mengukur suhu badan manusia. Skala yang dapat diukur antara 35^o C dan 42^o C. Pada termometer ini pipa di bagian bawah dekat labu dibuat sempit sehingga pengukuran lebih teliti, karena zat cair isiannya (seperti raksa) tidak segera turun ke labu atau reservoir.

Termometer Bimetal

Termometer bimetal masih memanfaatkan fenomena pemuaian benda alam yang terjadi akibat perubahan suhu. Namun benda yang digunakan adalah dua (bi) logam (metal) yang berbeda. Terdapat beberapa logam yang ketika suhunya berubah, maka salah satu logam yang saling didekatkan akan melengkung karena memuai.

Termometer Kristal Cair

Selain zat cair dan logam, terdapat pula kristal cair yang warnanya dapat berubah jika suhu berubah. Kristal ini biasanya dikemas dalam plastik tipis, dan digunakan untuk mengukur suhu tubuh, suhu akuarium, dan sebagainya.

Skala Suhu

Sedari tadi kita terus menyebutkan berbagai ukuran derajat suhu yang selalu diakhiri dengan huruf C. Huruf C pada derajat suhu (misalnya: 35^o C) adalah kependekan dari Celcius. Celcius adalah salah satu contoh dari skala suhu.

Saat ini, dikenal beberapa skala suhu, meliputi:

1. Celcius,
2. Fahrenheit,
3. Reamur, dan
4. Kelvin.

Tentunya setiap skala tidak akan memberikan angka yang sama dalam menakar suhu. Misalnya, suhu manusia yang wajar adalah 37^o C dalam skala celcius, sementara pada skala fahrenheit adalah 98,6 ^o F. Artinya, 37^o Celcius setara dengan 98,6 ^o F. Itulah skala, satuan perbandingan terhadap sesuatu yang tentunya dapat relatif terhadap patokan yang digunakannya.

Lengkapnya, berikut adalah perbandingan dari skala suhu yang dikenal di dunia.

Perbandingan Skala Suhu:

skala C: skala R: skala F: skala K = 100 : 80 : 180 : 100

skala C: skala R: skala F: skala K = 5 : 4 : 9 : 5

Dengan memperhatikan titik tetap bawah (dibandingkan mulai dari nol semua), perbandingan angka

suhunya: t _C : t_R : (t_F – 32) : (t_K -273) = 5 : 4 : 9 : 5

Perbandingan di atas dapat digunakan untuk menentukan konversi skala suhu. Sebagai contoh, berikut adalah rumus atau persamaan untuk mengonversi skala suhu dari Celcius ke Fahrenheit.

Perubahan Akibat Suhu

Apa yang terjadi pada benda jika suhunya berubah? Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya di atas, salah satu perubahan yang terjadi pada benda adalah ukuran benda itu akan berubah. Jika suhu benda naik, secara umum ukuran benda bertambah, dan peristiwa tersebut disebut pemuaian.

Pemuaian dapat terjadi pada berbagai zat yang di antaranya adalah sebagai berikut.

Pemuaian Zat Padat

Zat padat dapat mengalami pemuaian, meskipun gejalanya cukup sulit untuk diamati secara langsung. Namun, kita masih dapat melihat pengaruhnya. Misalnya, saat kita menuangkan air yang sangat panas ke dalam gelas yang dingin, maka tiba-tiba gelas itu akan retak atau pecah. Retaknya gelas terjadi karena terjadinya pemuaian (perubahan ukuran) yang tidak merata pada gelas.

Pada umumnya, benda atau zat padat akan memuai atau mengembang jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Pemuaian dan penyusutan itu terjadi pada semua bagian benda, yaitu panjang, lebar, dan tebal benda tersebut.

Jika benda padat dipanaskan, maka suhunya akan naik. Pada suhu yang tinggi, atom dan molekul penyusun logam tersebut akan bergetar lebih cepat dari biasanya sehingga logam tersebut akan memuai ke segala arah.

Para perancang bangunan, jembatan, dan jalan raya harus memperhatikan sifat pemuaian dan penyusutan bahan karena perubahan suhu. Jembatan umumnya dibuat dari besi baja yang saling disambungkan satu dengan lainnya.

Oleh karena itu, agar sambungan besi baja tidak melengkung karena memuai akibat terik panas matahari atau menyusut di malam hari, sambungan-sambungan besi baja tidak boleh dipasang saling rapat satu dengan lainnya. Harus ada rongga yang cukup di antara sambungan-sambungan itu.

Setiap zat padat memiliki besar kecil pemuaian yang berbeda. Besaran yang menentukan pemuaian panjang zat padat itu disebut dengan koefisien muai panjang. Koefisien muai panjang suatu zat padat adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang tiap satu satuan panjang zat itu jika suhunya dinaikkan 1^o C . Berikut adalah beberapa koefisien muai panjang beberapa bahan/benda padat.

Berdasarkan koefisien dari berbagai bahan di atas, kita dapat menerapkan berbagai persamaan/rumus matematis sebagai berikut.

Contoh penerapannya adalah sebagai berikut.

Pemuaian Luas dan Volume Zat Padat

Jika suatu benda berbentuk lempengan dipanaskan, pemuaian terjadi pada kedua arah sisi-sisinya. Pemuaian semacam ini disebut pemuaian luas. Pemasangan pelat-pelat logam selalu memperhatikan terjadinya pemuaian luas. Pemuaian luas memiliki koefisien muai sebesar dua kali koefisien muai panjang.

Berdasarkan data pada tabel di atas, lempengan baja memiliki koefisien muai luas sebesar 0,000022/^o C. Bagaimanakah pemuaian yang dialami oleh kelereng dan balok besi jika kedua benda tersebut dipanaskan? Benda-benda yang berdimensi tiga (memiliki panjang, lebar, dan tinggi) akan mengalami muai ruang jika dipanaskan. Pemuaian ruang memiliki koefisien muai tiga kali koefisien muai panjang. Balok baja jika dipanaskan akan memuai dengan koefisien muai sebesar 0,000033/^o C.

Pemuaian Zat Cair dan Gas

Seperti zat padat, zat cair juga memuai jika dipanaskan. Bahkan, pemuaian zat cair relatif lebih mudah atau lebih cepat teramati dibandingkan dengan pemuaian zat padat. Oleh karena itu, zat cair lebih banyak digunakan untuk termometer.

Gas juga akan memuai jika dipanaskan. Sifat pemuaian gas dapat diperhatikan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya ketika memompa ban sepeda, dsb.

Referensi

1. Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan. (2017). Ilmu Pengetahuan Alam SMP/MTs Kelas VII. Jakarta: Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.