Tegangan permukaan terjadi akibat perbedaan gaya tarik-menarik antara
molekul-molekul zat cair dekat permukaan dan molekul-molekul yang
terletak lebih jauh dari permukaan dalam zat cair yang sama. Kerja
diperlukan untuk membawa molekul-molekul ke permukaan. Energi
diperlukan untuk membentuk sebuah permukaan yang bebas. Energi per
satuan luas permukaan ini disebut koefisien tegangan permukaan (γ) [Olson
γ = (2)
dengan W = energi
A = luas permukaan
Tegangan dalam zat cair dapat dihitung dengan menggunakan diagram
bebas seperti pada gambar 2.1. Gaya yang timbul di sekeliling tepinya karena
tegangan permukaan adalah:
F = 2πRγ (3)
dengan R: jari-jari butir tetesan air
γ: tegangan permukaan (dyne/cm)
Untuk suatu zat cair tertentu, tegangan permukaannya tergantung pada
temperatur dan juga fluida lain yang bersentuhan di permukaan temu
(antarmuka) [Munson, Young, & Okiishi, 2003].
Fenomena yang berkaitan dengan tegangan permukaan yaitu kenaikan
atau penurunan dari zat cair di dalam sebuah tabung kapiler seperti pada
gambar 2.1. Jika sebuah tabung kecil terbuka dimasukkan ke dalam air,
permukaan air di dalam tabung akan naik di atas permukaan air di luar
tabung. Pada peristiwa ini, terdapat gaya tarik (adhesi) antara dinding tabung
dan molekul zat cair yang cukup kuat untuk mengatasi gaya tarik antar
molekul (kohesi) dan menariknya ke arah dinding. Oleh karena itu, zat cair
tersebut membasahi permukaan dinding.
Molekul dinding tabung mengerahkan gaya ke atas pada molekul cairan.
Permukaan cairan yang menyentuh dinding akan membentuk sudut θ
terhadap dinding. Gaya ini mempunyai komponen ke atas sebesar F cos θ. Dengan demikian gaya yang ke atas diberikan persamaan:
Ty = F cos θ
= 2π Rγcos θ (4)
Gaya tersebut menarik cairan di dalam tabung dengan ketinggian H dan
berat sebesar:
w = m g
= ρVg = ρπR2
Hg (5)
Ketika dalam keadaan setimbang maka berlaku:
w = Ty
ρπR2
sehingga kenaikan cairan di dalam tabung pipa kapiler diberikan dengan
hubungan [Greenslade, 1992]:
(6)
dengan g: percepatan akibat gravitasi bumi (9,8 m/s2)
θ: sudut kontak, karena sudutnya kecil maka nilainya nol
H: kenaikan cairan
Dari persamaan (6) terlihat jelas bahwa ketinggian berbanding terbalik
dengan jari-jari tabung. Oleh karena itu kenaikan zat cair di dalam sebuah
tabung sebagai akibat aksi kapiler semakin jelas terlihat apabila jari-jari
tabung semakin kecil.
Sudut kontak θ untuk air, udara, dan permukaan kaca yang bersih pada dasarnya nol. Apabila θ > π/2, zat cair disebut tidak membasahi permukaan (nonwetting). Apabila θ < π/2, kenaikan kapiler akan terjadi. Apabila θ = π/2,
baik kenaikan maupun penurunan tidak akan dialami oleh zat cair dalam
tabung. Bilamana θ > π/2 zat cair dalam tabung akan mengalami penurunan. Untuk menerapkan persamaan (6) berlaku bila diameter pipa relatif kecil.
Dengan bertambahnya diameter pipa, jari-jari lengkung akan semakin besar
dan kenaikan kapiler berkurang. Kenaikan kapiler tidak mungkin dihitung
secara langsung. Jika diameter tabung mendekati 1 cm, kenaikan kapiler air
dapat diabaikan.
Kenaikan cairan menggunakan tabung juga terjadi pada cairan yang
diberikan pada sepasang apitan kaca. Apitan kaca terbuat dari dua lembar
berimpit dan pada salah satu sisinya dijepit menggunakan penjepit. Pada sisi
yang lain diberi beberapa potongan mika. Mika ini berfungsi sebagai jarak
pemisah antara pelat, sehingga terdapat rongga diantara apitan. Apabila
dilihat dari atas maka rongga yang terbentuk oleh apitan kaca tampak seperti
segitiga sama kaki, ditunjukkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Diagram sudut apitan kaca dari atas (skala tidak proporsional)
Jarak pemisah pelat berubah seiring bertambahnya nilai . adalah
jarak horisontal diukur dari titik dimana dua pelat kaca bertemu. Jarak
pemisah pelat dapat dihitung dengan persamaan berikut [Piva, 2009]:
(7)
dimana L: panjang apitan sampai ujung tepi mika
tebal total jumlah mika
jarak horisontal diukur dari titik dimana dua pelat bertemu
Apitan kaca diletakkan tegak lurus terhadap bidang alasnya. Apitan kaca yang
digunakan dalam eksperimen setara dengan tabung pipa kapiler yang disusun
berdampingan. Sehingga persamaan (7) dapat disubstitusikan ke dalam
(8)
Persamaan (8) dapat dituliskan sebagai berikut:
(9)
Dari persamaan tersebut diketahui bahwa kenaikan cairan pada suatu titik
tertentu yang berjarak dari titik bertemunya kedua kaca berbanding terbalik.
Semakin kecil nilai maka kenaikan cairan semakin tinggi dan curam. Pada
nilai tertentu tinggi cairan berada pada titik tertinggi. Semakin besar nilai ,
cairan akan turun dan landai. Cairan akan terus turun dan pada nilai tertentu
cairan akan konstan.
Gambar 2.3 (a) Apitan kaca dari depan (b) Kenaikan cairan menggunakan apitan kaca tampak dari samping
Kontak sudut θ antara permukaan cairan dengan dinding pelat yang terbentuk sangat kecil. Sehingga nilainya dianggap nol dan cos θ bernilai satu. Maka persamaan (9) dituliskan sebagai berikut:
14
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan nilai tegangan permukaan cairan
menggunakan apitan kaca. Kaca yang digunakan berukuran 15 x 30 cm dengan
ketebalan setiap kaca 5 mm. Apitan kaca diletakkan dengan posisi berdiri tegak
lurus terhadap bidang alasnya. Pada salah satu sisi tepi apitan kaca diberikan 6
potong plastik mika berukuran 1 x 30 cm dengan ketebalan 0,42 mm. Setiap sisi
tepi apitan kaca dijepit menggunakan “klip binder”. Jarak antar penjepit adalah 6
cm. Secara umum penelitian ini dibagi ke dalam 3 tahapan, yaitu: tahapan pertama
menyiapkan alat-alat yang digunakan, tahap kedua menentukan massa jenis
cairan, kemudian tahap ketiga adalah mengukur tegangan permukaan cairan.
A. Persiapan Alat
Dalam penelitian mengukur nilai tegangan permukaan dibutuhkan
beberapa alat. Adapun alat-alat tersebut adalah sebagai berikut:
1. Gelas ukur
Gelas ukur berfungsi sebagai tempat untuk mengukur banyaknya cairan
yang digunakan. Gelas ukur yang digunakan berukuran 10 ml.
2. Neraca digital
Neraca digital digunakan untuk menimbang cairan dan bahan terlarut.
3. Thermometer
Thermometer berfungsi untuk mengukur suhu cairan. Karena suhu cairan
4. Pipet
Pipet digunakan untuk memindahkan cairan dari gelas ke dasar apitan.
5. Micrometer sekrup
Micrometer ini berfungsi untuk mengukur ketebalan mika.
6. Kaca apitan
Apitan yang digunakan berupa kaca. Apitan terdiri dari dua lembar kaca
berukuran 15 x 30 cm dan ketebalan 5 mm. Di dalam apiatan diberikan
potongan mika berukuran 1 x 30 cm sebanyak enam potong. Ketebalan
enam mika tersebut adalah 0,42 mm. Mika ini berfungsi sebagai jarak
pemisah antara apitan, sehingga terdapat rongga diantara apitan.
Gambar 3.1. Skala pelat kaca yang digunakan dalam penelitian
7. Cairan
Cairan yang digunakan dalam penelitian ini berupa larutan detergen yang
8. Kaca sebagai alas
Kaca tersebut berfungsi untuk menempatkan apitan agar dapat berdiri
tegak lurus.
9. Kamera
Kamera Casio digunakan untuk memfoto kurva kenaikan cairan yang
tampak pada dinding kaca.
10.Tripod
Tripod digunakan untuk meletakkan kamera. Tripod dapat diatur sehingga
kamera dapat dipasang tegak lurus terhadap apitan kaca.
