Teori mengembang dan memampat (ekspansi dan kompresi) adalah konsep fundamental yang mendasari banyak cabang ilmu fisika dan teknik, terutama termodinamika. Inti dari teori ini berkisar pada bagaimana volume suatu zat—baik itu gas, cairan, atau benda padat—berubah sebagai respons terhadap perubahan tekanan dan suhu. Dalam konteks gas ideal, fenomena ini sangat jelas terlihat dan dijelaskan melalui hukum-hukum gas.
Proses mengembang, atau ekspansi, terjadi ketika sebuah sistem menerima energi termal atau ketika tekanan eksternal yang menahannya berkurang. Ketika suhu suatu zat naik, energi kinetik rata-rata molekul di dalamnya meningkat. Peningkatan energi ini menyebabkan molekul-molekul bergetar atau bergerak lebih kuat, sehingga jarak rata-rata antarmolekul bertambah.
Dalam gas, ekspansi ini sering kali menyebabkan peningkatan volume yang signifikan jika sistem tersebut berada dalam wadah tertutup dengan piston bergerak (seperti pada mesin pembakaran internal). Hukum Charles, yang menyatakan bahwa pada tekanan konstan, volume gas berbanding lurus dengan suhu absolutnya, secara langsung menjelaskan fenomena mengembang. Jika Anda memanaskan gas di dalam balon, udara di dalamnya akan mengembang karena molekul-molekulnya bergerak lebih cepat dan mendorong dinding balon keluar.
Sebaliknya, memampat atau kompresi adalah proses pengurangan volume suatu zat. Ini umumnya dicapai melalui dua cara utama: peningkatan tekanan eksternal atau penurunan suhu. Ketika tekanan diterapkan pada suatu zat, gaya eksternal memaksa molekul-molekul untuk berada lebih dekat satu sama lain.
Dalam proses kompresi gas, seperti yang terjadi pada langkah kompresi mesin mobil, usaha (kerja) dilakukan pada gas tersebut. Kerja mekanis ini diubah menjadi energi internal gas, yang menyebabkan kenaikan suhu (kecuali jika prosesnya bersifat isotermal sempurna). Hukum Boyle-Mariotte memberikan dasar teoritis untuk kompresi isotermal, menyatakan bahwa pada suhu konstan, tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya. Jika volume dikurangi (dimampatkan), tekanan di dalam wadah akan meningkat tajam.
Teori mengembang dan memampat tidak hanya bersifat akademis, tetapi juga sangat vital dalam berbagai aplikasi praktis. Mesin panas, mulai dari mesin uap kuno hingga mesin jet modern, beroperasi berdasarkan siklus di mana gas dipanaskan (mengembang) untuk menghasilkan tenaga, kemudian didinginkan atau dimampatkan kembali.
Dalam ilmu atmosfer, pergerakan massa udara memicu proses ini secara alami. Ketika udara naik, tekanan atmosfer di sekitarnya menurun, menyebabkan udara tersebut mengembang dan mendingin (pendinginan adiabatik), yang sering kali berujung pada pembentukan awan. Sebaliknya, udara yang tenggelam (subsiden) akan dimampatkan oleh tekanan yang meningkat, menyebabkan kenaikan suhu dan kondisi cuaca yang cerah. Pemahaman mengenai batas ekspansi dan kompresi membantu para insinyur merancang material yang tahan terhadap perubahan volume ekstrem.
Hubungan antara ekspansi dan kompresi sangat erat kaitannya dengan Hukum Pertama Termodinamika ($\Delta U = Q - W$), yang membahas konservasi energi. Kerja ($W$) yang dilakukan *oleh* sistem saat mengembang (ekspansi) bersifat positif, sementara kerja yang dilakukan *pada* sistem saat memampat (kompresi) bersifat negatif. Menguasai kedua konsep ini memungkinkan analisis efisiensi sistem energi, seperti seberapa banyak energi panas yang dapat diubah menjadi kerja mekanik yang bermanfaat sebelum gas perlu dimampatkan lagi untuk memulai siklus baru.