Persamaan Fisika di balik Desain Termometer

Kita sering melihat atau menggunakan termometer sebagai alat ukur suhu. Termometer raksa yang sering kita gunakan terlihat sangat sederhana. Hanya beupa pipa kaca yang mengandung raksa di dalamnya. Posisi permukaan raksa dalam kolom menentukan suhu yang diukur.

Namun, di balik bentuknya yang sederhana, banyak persamaan-persamaan fisika yang diperhitungkan dalam medesain termometer tersebut. Beberapa di antaranya sebagai berikut.
1) Persamaan konduktivitas panas. Kalor dari benda yang diukur harus dapat bertukar/berpindah secara cepat dengan raksa di dalam termometer. Kalor dari luar (jika suhunya lebih tinggi dari suhu raksa) harus berpindah cepat ke dalam dan memanaskan raksa. Sebaliknya, kalor dari raksa harus segera berpindah keluar (jika benda yang diukur memiliki suhu lebih rendah). Dengan demikian, raksa dengan segera mencapai suhu yang sama dengan suhu benda yang diukur. Laju aliran kalor ditentukan oleh konduktivitas termal kaca dan ketebalan kaca. Makin tipis kaca maka kalor mengalir lebih cepat. Itu sebabnya dinding kaca termometer sangat tipis. Termometer yang dijual di pasaran memiliki dinding dengan ketebalan 0,1 mm – 0,15 mm.

2) Persamaan pemanasan atau pendinginan. Jika benda menerima kalor atau melepas kalor maka suhunya bertambah atau berkurang. Besarnya perubahan suhu berbanding terbalik dengan kalor jenis. Dengan kalor jenis yang kecil maka suhu berubah cukup besar walaupun hanya menerima atau melepas kalor yang sedikit. Akibatnya, benda tersebut akan cepat mengalami perubahan suhu. Jadi, agar pembacaah suhu dapat diperoleh lebih cepat maka zat cair di dalam termometer harus memiliki kalor jenis yang sangat kecil. Kalor jenis raksa hanya 0,140 J/g K. Bandingkan dengan kalor jenis air 4,186 J/g K (sekitar 30 kali kalor jenis air raksa). Jadi kalau kita menggunakan air sebagai zat cair dalam termometer maka kita perlu menunggu sekitar 30 kali lebih lama untuk mendapatkan pembacaan suhu.

3) Persamaan pemuaian termal. Ketika benda mengalami kenaikan suhu maka benda tersebut memuai. Perubahan volume yang terjadi berbanding lurus dengan volume mula-mula, dengan perubahan suhu, dan koefieisn muai volume. Agar terdeteksi perubahan volum yang cukup besar maka volume mula-mula tidak boleh terlalu sedikit. Oleh karena itulah dalam termometer terdapat kantong penyimpanan raksa di dasar termometer. Guna bagian ini adalah untuk menghasilkan perubahan volum yang signifikan walaupun perubahan suhu tidak yang dikur terlalu besar. Kalau air raksa hanya tertampung dalam kolom kecil maka perubahan volum hampir tidak akan term atai sehingga kita sulit mengamati suhu. Volum raksa dalam kantong di dasar termometer sekitar 0,1 cm3.

4) Perbedaan koefisien muai termal. Kaca juga memuai ketika mengalami kenaikan suhu. Namun, pemuaian tersebut tidak boleh menyamai pemuaian raksa karena akan menyebabkan kolom air raksa hampir tidak mengalami perubahan panjang. Ternyata koefisien muai volum raksa 21 kali koefisien muai kaca. Dengan demikian dapat kita katakan kaca hampir tidak mengalami pemuaian.

5) Ukuran kolom kecil. Perubahan volume air raksa dalam kantong akan diamati sebagai kenaikan raksa dalam kolom sebagai indikator suhu. Agar kenaikan kolom mudah diamati meskipun perubahan suhu cukup kecil maka diameter kolom harus sangat kecil. Dengan diamater (luas penampang kolom sangat kecil) maka perubahan volume yang sedikit pada kantong air raksa (perubahan suku yang kecil) akan dihasilkan perubahan ketinggian raksa dalam kolom yang mudah diamati.

6) Efek kapilaritas. Namun, ukuran kolom tidak boleh terlampau kecil karena efek kapilaritas akan muncul. Jika muncul efek kapilaritas maka perubahan ketinggian kolom bukan semata-mata akibat pemuaian tetapi juga akibat tegangan permukaan zat cair. Diameter optimal kolom termometer air raksa sekitar 0,140 mm.

7) Kohesi dan adhesi. Zat cair yang digunakan juga tidak boleh membasahi dinding kaca agar permukaan kaca selalu bersih meskipun semula dikenai zat cair. Gaya adhesi antara molekul kaca dengan zat cair harus lebih kecil daripada gaya kohesi antar molekul zat cair. Dan ini dipenuhi oleh raksa.

Di masa depan mungkin para ahli akan membuat termoeter dari bahan yang lebih unggul dari kaca, yaitu memiliki konduktivitas termal lebih tinggi dari kaca, lebih kuat dari kaca sehingga dinding dapat dibuat lebih tipis, memiliki kapasitas kalor lebih becil dari kaca, dan memiliki koefisien volum lebih kecil dari kaca. Dan salah satu kandidat adalah carbon nanotube.

sumber: Facebook Mikrajudin Abdullah