Ekspansi Termal

Definisi

Ekspansi termal adalah perubahan fisika yang dapat terjadi pada zat cair, padat dan gas.  Zat dapat bertambah atau berkurang volumenya jika mengalami perubahan termal. Perubahan pada gas agak berbeda dengan zat cair dan padat dan akan dibahas secara khusus.

Ekspansi termal dapat terjadi pada 1 dimensi (satuan panjang ) yang akan mengalami perubahan panjang:

atau 3 dimensi (satuan volume) yang akan mengalami perubahan volume. 

Benda cair dan gas akan mengalami ekspansi volume, sementara untuk benda padat bisa diasumsikan mengalami ekspansi dalam satuan panjang saja.

Koefisien muai beberapa benda sekitar kita

Koefisien muai beberapa benda terdapat di bawah ini: 

Koefisien ekspansi

Dari tabel kita dapat melihat ada bahan yang memiliki koefisien muai yang besar dan kecil. Quartz, marmer dan pyrex adalah beberapa yang memiliki koefisien muai yang cukup kecil sementara Timah, Aluminium dan benda lain yang terbuat dari metal juga beton memiliki koefisien muai yang cukup besar.

Konsekuensi dari koefisien muai sebuah benda

Koefisien muai yang besar dapat memberi masalah pada beberapa kasus seperti pada jembatan, rel kereta api dan lain lain. 

 

dari wikipedia

 

Koefisien muai yang kecil membuat benda hanya berubah sedikit saja ketika suhu bertambah. Pyrex misalnya memiliki koefisien panjang yang lebih kecil dibanding kaca sehingga cocok sekali untuk dijadikan wadah makanan yang tahan panas karena tidak mudah memuai dan menyusut.

Tebak tebakan:

Besi bulat berlubang akan berekspansinya seperti apa kalau terkena panas? apakah lubang dalam akan mengecil atau membesar? 

Beberapa kasus pemuaian benda sehari hari 

1. Membuka botol selai

Pemuaian ini juga dapat dimanfaatkan utnuk menyelesaikan suatu masalah seperti membuka botol selai yang macet.Tuang saja air panas ke atas tutup yang terbuat dari logam. Logam akan memuai karena panas dan tutup lebih mudah dibuka. 

2. Memperkirakan pemuaian yang terjadi pada tangki bensin di suhu panas

Tanki bensin yang terkena sinar matahari akan membuat isi dan wadah tangki sama-sama memuai. Namun karena koefisien mulainya berbeda, kita harus menghitung terlebih dulu koefisien muai wadah dan isinya. Klaau perubahan volume wadah lebih kecil, maka isi akan meluap ketika suhu bertambah. 

Suhu yang bertambah akan menyebabkan muai bertambah, kecuali pada air karena ada anomali air.

Anomali air

Anomali air

Dari grafik, Pada suhu 4 derajat celsius air memiliki volume paling kecil  dan berat jenis paling besar, ketika suhu turun,berat jenis mengecil volume membesar. Ini  menyebabkan air di bawah 4 derajat celsius akan naik ke atas dan volumenya bertambah. Lapisan es di permukaan dan lapisan air yang lebih hangat di bawah (4 derajat celsius, dimana makhluk hidup masih dapat bertahan) menyebabkan makhluk di dalam air tidak mati walaupun suhunya sangat dingin.  

 

Permukaan air beku tapi di bawah masih ada bagian air yang tidak membeku (t= 4 derajat celsius)  wikipedia

 

Suhu dingin dapat membuat banyak perubahan muai dan susut suatu benda pada cuaca ekstrim. Di tempat seperti ini kita perlu  memperhatikan tegangan termal (Thermal Stresses) 

Gelombang Transversal dan Longitudinal Ringkasan pelajaran IPA Fisika SMP

Yang dibahas di bab ini adalah gelombang mekanik yang bergerak denagn medium fisik seperti tali. Tidak termasuk gelombang elektromagnetik dan cahaya. Gelombang tidak dapat memindahkan atau membawa partikel tapi dapat membuat partikel yang dilewatinya bergerak naik turun dalam waktu tertentu. Perhatikan ketika ada gelombang lewat di kolam yang terdapat sehelai daun. Daun akan bergerak naik turun dalam titik kesetimbangan seusai denan gerakan air, tapi tidak terbawa dengan ombak. (Contoh: https://www.youtube.com/watch?v=RRPP73QM_4k dengan penjelasan ringkas https://theconversation.com/curious-kids-how-do-ripples-form-and-why-do-they-spread-out-across-the-water-120308)

Beberapa contoh gelombang adalah:

• pendulum yang bergerak-gerak
• batu yang dilemparkan ke air, air menjadi berosilisasi
• mobil yang terkena guncangan, pegas mobil menjadi berosilisasi 

 Bagian dari gelombang:

 Ada amplitudo, panjang gelombang, frekuensi dan perioda. 

Amplitudo : tinggi tertinggi sebuah gelombang, 

panjang gelombang : terdiri dari 1 puncak dan 1 lembah

Perioda: waktu utnuk menempuh satu panjang gelombang

Frekuensi: jumlah gelombang yang terbentuk dalam satuan waktu tertentu. 

Kecepatan gelombang (v) adalah panjang gelombang dibagi perioda atau dikali frekuensi. 

Secara umum gelombang terbagi pada dua jenis yaitu gelombang transversal dan gelombang longitudinal.

Gelombang Transversal

Gelombang tranversal bergerak tegak lurus (transverse) arah gerakan gelombang. (gambar a. )

Contoh: tali yang digerakkan tegak lurus arah gerakan.

Gelombang Longitudinal

 Gelombang longitudinal bergerak sepanjang (along) arah gerakan gelombang. Cirinya terdapat compressons dan expansions pada gelombang.

Contoh: getaran pada Slinky, getaran suara di udara dan Gendang.

 

Ikatan Ion (Kimia SMA)

Lintasan Energi Pada Atom

Ikatan ion terjadi antara unsur yang memiliki kelebihan elektron bergabung dengan unsur yang membutuhkan elektron. Setiap unsur memiliki kecenderungan memiliki lintasan energi yang stabil  sepeti gas mulia dalam golongan 8A (lihat tabel periodik). Lintasan energi tiap kulit akan terisi dengan aturan Oktet dengan jumlah elektron pada kulit terluar adalah 8 (kecuali Helium).

 

Lintasan energi pada golongan 8 A yang stabil

Misalnya unsur Na (sodium atau natrium) dengan nomor atom 11, memiliki kelebihan 1 elektron pada lintasan energi terluarnya (kulit). Kelebihan 1 elektron pada kulit terluar ini embuat Na dan unsur lain dalam golongan 1A sangat reaktif. Sementara Cl yang masuk dalam golongan VII A dengan nomor atom 17 membutuhkan 1 elektron untuk membuat lintasan energinya menjadi stabil. Pengabungan antara Na dan Cl membuat senyawa NaCl memiliki lintasan energi yang stabil.

 

Ikatan Ion Berdasar Asas AufBau

Asas Aufbau terutama berlaku untuk 18 atom pertama dan mulai tidak konsisten pada atom berikutnya dan juga pada logam transisi. 

Kita dapat menggambarkan atom memiliki beberapa lintasan yang dapat disebut sebagai 'kulit'. 

Ada beberapa jenis 'kulit' yang dapat terisi beberapa orbital yaitu s, p, d, f. Jumlah maksimum tiap kulit adalah: 

s= 2 (n= 1. jumlah orbital = 2n² = 2)

p= 6  (n= 2. jumlah orbital = 2n² = 8, terdiri dari 2 orbital s dan 6 orbital p )

d= 10 ( n= 3. jumlah orbital = 2n² = 18, terdiri dari 2 orbital s, 6 orbital p dan 10 orbital d )

f= 14  (n= 4. jumlah orbital = 2n² = 32, terdiri dari 2 orbital s, 6 orbital p dan 14 orbital f ) 

Urutan mengisi kulit adalah: 

https://id.wikipedia.org/wiki/Konfigurasi_elektron#/media/Berkas:Electron_orbitals.svg

Kita dapat melihat bahwa nomor atom yang terletak di bawah kanan dengan pola: 2,4,10,12, 18 ... adalah nomor atom gas ideal yang kulitnya sudah terisi penuh. Untuk atom golongan lain, kemungkinan ada beberapa kulit yang tidak terisi.

Contohnya kulit terluar Na (3s) hanya terisi 1 elektron sementara pada Cl, kulit terluar (3p) juga terisi 1 elektron. Maka ketika Na memberikan 1 elektron pada Cl, kulit terluar Cl akan memenuhi akturan oktet (3s dan 3 p terisi 8 elektron). 

Bentuk Senyawa Ion

Senyawa ion NaCl ini membentuk kristal ion dalam bentuk kubus dan memiliki sifat yang berbeda dari unsur Na dan Cl. Natrium sangat reaktif, berbentuk padat bereaksi dengan gas Chlorin akan membentuk senyawa Na Cl yang sifatnya sangat berbeda dari unsur pembentuknya.  

NaCl memiliki ikatan ion yang sangat kuat dan susah untuk dipisahkan, sifatnya keras dan getas. Hal ini dapat dilihat dari kristal NaCl. Setiap ion positif akan dikelilingi dengan ion negatif, begitu juga sebaliknya. 

Bentuk kristal NaCl solid pada suhu ruang, memiliki titik leleh yang cukup tinggi (di atas 800C). 

Secara umum ikatan ion yang kuat dalam bentuk solid cenderung membuat senyawa menjadi tidak konduktif karena elektron sudah tidak dapat bergerak. Berbeda ketika senyawa berubah menjadi bentuk cair atau gas, akan ada sifat konduktivitas dan dapat berfungsi menjadi larutan elektrolit yang dapat menghantar listrik. 

Sumber lain: 

• https://www.ruangguru.com/blog/konfigurasi-elektron-dan-diagram-orbital
• https://id.wikipedia.org/wiki/Konfigurasi_elektron
  

Jika Altimeter Tidak Menggunakan Sensor Tekanan

Kalian tahu nggak apa itu Altimeter? Altimeter adalah alat untuk mendeteksi berapa ketinggian suatu tempat dari permukaan laut. Biasanya Altmeter digunakan oleh pilot untuk mengetahu posisi ketinggian pesawat. Altimeter menggunakan sensor tekanan untuk mengetahui ketinggian suatu tempat. 

sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_temperature

Mengapa altimeter menggunakan sensor tekanan bukannya yang lain? karena itulah yang paling mudah digunakan untuk mengukur ketinggian.

Bagaimana dengan yang lain? ayo kita lihat disini.

Jika Altimeter menggunakan sensor temperatur 

sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_temperature

 

kita bisa mengukur ketinggian menggunakan temperatur, seperti pada gambar.

Namun bagaimana jika ada lebih dari 1 kemungkinan ketinggian? misalnya jika temperaturnya 250K, berapa ketinggian sensor dari permukaan laut?

 

 

berapa ketinggian sensor?

ada banyak kemungkinan, di antarnya 6km, 40 km, dan 62km. Untungnya, seringkali sensor hanya ada di troposphere, yaitu sekitar 0 - 11km. Jadi sepertinya ketinggian sensor adalah 6km kalau temperaturnya 250K.

Tapi bagaimana kalau di ketinggian 6km, terjadi badai! jadi temperatur turun misalnya menjadi 230K, jadi sensor menyangka bahwa dia berada di ketinggian 9km.

Tapi ingat! bukannya gurun sahara lebih panas daripada daratan antartika, padahal ketinggiannya sama, jadi juga susah mencari ketinggian menggunakan temperatur.

Jika Altimeter menggunakan radiasi matahari 

Jika kita bisa mengukur ketinggian dengan mengukur radiasi matahari; semakin banyak radiasi matahari, tentu semakin tinggi sensor dari permukaan laut. Namun hal ini sulit dilaksanakan karena: 

• Setiap waktu, radiasi matahari berubah-ubah, misalnya, pada siang hari radiasi matahari lebih banyak dibanding dengan pada sore hari.
• Sensor  ini tidak bisa digunakan pada malam hari.
• Sensor ini bisa tertutup awan, jadi sensor tidak bisa mengukur berapa ketinggian sensor dari permukaan laut

Jadi, kalau kita ingin membuat sensor ini, kita mesti mengetahui kapan awan ada, berapa waktu sekarang, dan kita harus memilih berapa panjang gelombang radiasi matahari, karena itu, sensor ini susah dibuat.

Jika Altimeter menggunakan gravitasi 

Sumber: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_of_Earth

Kita mungkin bisa mengukur ketinggian menggunakan gravitasi, semakin tinggi kita berada, semakin rendah gravitasi di bumi. Namun, bagaimana cara mengukur gravitasi? sangat mudah untuk mencari gravitasi. kita bisa menggunakan akselerometer.

Tetapi rupanya gravitasi di setiap benda berbeda loh! ini dikarenakan bentuk bumi yang tidak sepenuhnya bulat. jadi sensor menjadi sulit untuk mengukur ketinggian.

anomali gravitasi

Jika Altimeter menggunakan ultrasonik

sensor ultrasonik(tidak berskala)

kita bisa mengukur ketinggian menggunakan sensor ultrasonik, sensor bisa mengetahui ketinggian dari permukaan tanah(bukan permukaan laut), dan sensor harus mengetahui ketinggian tanah dari permukaan laut.

gambar diatas menunjukkan waktu untuk gelombang bolak balik adalah 46, jadi waktu suara sampai ke dinding adalah 46/2 = 23 milidetik = 0.023 detik, dan kecepatan suara adalah 340m/s, jadi jarak antara sensor dan dinding adalah 0.023 * 340 meter = 7.82 meter.

Ultrasonik di pesawat

ayo kita letakkan sensor ultrasonik di pesawat! (maksudnya di simulasi) 0.354829 detik, 0.354829 / 2 * 340 meter = 60.32093 meter dari permukaan tanah!

namun, bukankah pesawat itu tidak diam? maka simulasi di bawah menunjukkan pesawat yang bergerak.

Ultrasonik ketika bergerak

pada ketinggian yang sama, waktunya malah berubah-ubah; kali ini 0.409445 detik, 0.409445 / 2 * 340 meter = 69.60565 meter, jadi sensor ini tidak akan bekerja jika sensor bergerak-gerak.

--MNA--

Isotop

Definisi

Atom terdiri dari proton, elektron dan neutron, contohnya atom helium pada gambar berikut:

Warna merah elektron, dan bagian tengah yang disebut nukleus mengandung neutron (yg berwarna hijau) dan proton (yg berwarna kuning)

Kadang kadang jumlah elektron dan protonnya sama, tapi neutronnya berbeda. Contohnya:

Nukleus isotop karbon-12 dan karbon-14

Kedua atom ini dinamakan isotop, memiliki jumlah proton yang sama tetapi neutron yang berbeda. 

Kedua unsur ini adalah karbon, tetapi karena jumlah neutronnya berbeda, sifatnya juga tidak sama. 

Karbon-12 atau karbon yang paling umum tidak bersifat radioaktif, sedangkan karbon-14 mengeluarkan gelombang radioaktif beta.

Isotop radio aktif

Isotop radioaktif terjadi ketika nukleusnya (terdiri dari proton dan neutron) tidak stabil dan mengeluarkan energi dalam bentuk radiasi sinar alfa, beta, atau gamma. Sinar alfa menghasilkan 2 muatan positif (proton) dan 2 neutron,  sinar beta 1 muatan negatif (elektron), sementara sinar gama tidak menghasilkan muatan tertentu.

Manfaat Isotop

• Dapat digunakan untuk menentukan umur fosil dengan melihat isotop karbon (C14 carbon dating) (dari fosil dapat ditemukan berapa banyak C 14 yang sudah meluruh dan dibandingkan dengan yang ada pada makhluk hidup, dari situ dapat dihitung berapa lama dia meluruh sehingga ditemukan tahun berapa dia kira kira masih hidup. 

• Melihat bagian organ dalam  manusia (sensor dapat mendeteksi isotop di dalam tubuh)

• Sterilisasi alat medis

• Membersihkan makanan dari bakteri

• Melihat bagian dalam suatu alat atau melihat ketebalan plastik dan logam lembaran 

• Sumber energi di pesawat luar angkasa (plutonium yang meluruh mengeluarkan panas dan diubah menjadi energi listrik

• Keamanan Makanan; mengetahui kadar nitrat dan karbon yang ada pada minyak zaitun, makanan kaleng dan lain lain. 

https://www.britannica.com/science/radioactive-isotope

https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/use-of-isotopes/

https://sciencing.com/isotopes-used-in-biology-13660285.html

Tabel Periodik (Kimia SMA)

Sejarah

Sudah banyak ahli kimia yang ingin membuat table periodik di masa lalu, namun tabel ini baru dapat dibuat oleh Mendeleev dan beberapa ahli kimia lainnya setelah struktur dan konfigurasi atom ditemukan. Mendeleev menemukan beberapa kesamaan sifat fisika dan kimia beberapa unsur yang cenderung berulang ketika beberapa unsur dikelompokkan berdasar massa atom. (Berilium mirip dengan magnesium, boron dengan aluminium). 

Kesamaan Unsur Dalam tabel periodik

Ada banyak unsur yang memiliki kesamaan sifat dan dapat dikelompokkan. Contohnya: 

Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K) adalah unsur yang sangat reaktif dan lunak. 

Helium (He) Neon(Ne) dan Argon (Ar) adalah gas yang tidak reaktif. 

Ketika unsur ini dikelompokkan berdasar jumlah atom, terdapat pola dan pengulangan serta kesamaan sifat fisika dan kimia. 

Urutan unsur berdasar nomor atom

Dari pola ini, terlihat Li, Na, K yang memiliki kesamaan sifat dapat menjadi 1 kelompok (pada tabel periodik menjadi Gol 1, ternyata jumlah elektron pada kulit terluar pada atom ini = 1) , begitu juga dengan He Ne Ar (pada tabel periodik menjadi Gol 8). Dan ternyata 2 golongan ini memiliki perbedaan atom pada kulit terluarnya sebanyak 1 saja.  Atom pada kulit terluar gol 8 semua terisi penuh sementara pada gol 1, hanya ada 1 elektron). 

Pengelompokan unsur ini terus dilakukan dan sampai sekarang sudah terdapat banyak unsur yang baik terdapat di alam dan unsur buatan yang masuk ke dalam tabel periodik. 

Bagian  horizontal dari tabel periodik menyatakan perioda, bagian horizontal menyatakan golongan.   

Dari tabel periodik ini juga dapat dilihat bahwa hampir semua golongan memiliki sifat yang sama sehingga golongan 1 dapat digolongkan menjadi alkali metal yang sangat reaktif, golongan 7 adalah non metal yang sangat reaktif dan golongan 8 adalah gas mulia yang stabil dan tidak reaktif.

Gambar dari https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic_table_large.svg

 

Hampir semua tabel periodik akan menunjukkan data massa dan nomor atom sebuah unsur. Nomor atom menunjukkan jumlah proton dalam atom yang biasanya sama denagn jmlah elektron pada unsur yang tidak bermuatan. Nomor massa kurang lebih adalah jumlah proton dan elektron.

Di alam, tidak semua unsur memiliki massa atom yang sama misalnya Karbon memiliki nomor massa yang berbeda karena memiliki jumlah elektron yang berbeda. Ada yang memiliki jumlah netron 12 dan 14.  Begitu juga dengan Cl, ada Cl dengan nomor massa 35 dan 37, nomor atomnya sama: 17. Ini disebut Isotop.

Isotop unsur Cl

Konfigurasi atom sebuah unsur dalam table periodik

Golongan gas mulia 8A adalah golongan yang sangat tidak reaktif karena memiliki konfigurasi atom yang stabil dengan semua jumlah elektron pada lintasan energi terluar terisi penuh. Nomor atomnya : 2, 10, 18,36, 54,86, 118. Sementara golongan 1A memiliki 1 lebih banyak dari golongan 8A dan golongan 7A lebih sedikit 1 dari golongan 8A. Kita dapat melihat jumlah elektron terluar ini dari struktur Lewis (yang merumuskan teori ikatan valensi atom).

Dari struktur Lewis dapat dilihat bahwa jumlah elektron terluar dari golongan 1A = 1 dan 7A = 7. Konfigurasi atom akan menjelaskan bagaimana unsur dapat bergabung  membentuk ikatan ion atau ikatan kovalen dengan unsur lain.

Contoh soal: 

https://soalkimia.com/soal-sistem-periodik-unsur/

Math Combination Problem in Some Ways

A  problem found in an Elementary student math book: 

There are 5 empty boxes, you can put three red colors in the box. And you could fill the rest with green. How many ways can you put red colors in the box? 

Well, the kid do this by drawing squares in a piece of paper and try the combination one by one.... But can you solve with other method? 

1. This problem is just like some permutations with repeated elements. 

We could count that 5 squares could contain 5!. But this method overcounts, because there are 2 same green colors and 3 same red colors.

For red colors there are 3! possibilities and green colors 2! possibilities. Therefore we have 5!/(3!*2!) possibilities.

2. Eventually, this is an exploration problem that could be solved by 'simple Python code' (made by the kid's big sister). 

It was simple because it wasn't made by python module, only 'for loops' commands. It got 3 nested loops though(i, j, k)- it wasn't that simple at all.

 

Here's the code: 

 

 

 

So how could you explain such thing to little kids? well may be just the algorithm..(The algorithm would be explained soon. )

 

By the way the answer is 10.