KESIMPULAN DAN SARAN
C. Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan merupakan fenomena menarik yang terjadi pada zat cair
(fluida) yang berada dalam keadaan diam (statis). Contoh yang menarik tetes air
cenderung berbentuk seperti balon (yang merupakan gambaran luas minimum sebuah
volum) dengan zat cair berada di tengahnya. Hal yang sama terjadi pada jarum baja
73
zat cair. Fenomena ini terjadi karena selaput zat cair dalam kondisi tegang, tegangan
fluida ini bekerja paralel terhadap permukaan dan timbul dari adanya gaya tarik
menarik antara molekulnya. Air memiliki tegangan permukaan yang besar yang
disebabkan oleh kuatnya sifat kohesi antar molekul-molekul air. Hal ini dapat diamati
saat sejumlah kecil air ditempatkan dalam sebuah permukaan yang tak dapat terbasahi
atau terlarutkan (non-soluble); air tersebut akan berkumpul sebagai sebuah tetesan. Di
atas sebuah permukaan gelas yang amat bersih atau bepermukaan amat halus air dapat
membentuk suatu lapisan tipis (thin film) karena gaya tarik molekular antara gelas dan
molekul air (gaya adhesi) lebih kuat ketimbang gaya kohesi antar molekul air.
Giancoli (1997) menyatakan bahwa zat cair berperilaku seperti membran yang
teregang karena tegangan. Sebagai contoh, setetes air di ujung keran yang menetes atau
tergantung pada dahan kecil layaknya embun pagi hari (gambar di bawah ini),
membuat bentuk yang hamper bulat seperti balon kecil yang berisi air lalu koin yang
ketika diapungkan pada permukaan air tidak tenggelam padahal massa jenisnya lebih
besar dibandingkan massa jenis air.
Permukaan zat cair yang berperilaku seakan-akan mengalami tegangan ini yang
bekerja sejajar dengan permukaan yang muncul dari gaya tarik-menarik antar
molekulnya inilah yang dinamakan tegangan permukaan. Tegangan permukaan ini
didefinisikan sebagai gaya per satuan panjang yang bekerja melintasi semua garis pada
permukaan dan memiliki kecenderungan menarik permukaan agar tertutup.
Contoh sederhana di mana saat kita meletakkan sebuah jarum kecil ataupun
klip kertas pada permukaan air yang tenang nampaklah keberadaan selaput tersebut.
Terbentuknya selaput ini berdasar atas energi permukaan (kerja per satuan luas) yang
74
tegangan permukaan adalah gaya perentang yang diperlukan untuk membentuk selaput
tersebut. Kegiatan untuk mengukur tegangan permukaan cairan adalah dengan
menaikkan tekanan di dalam tetes kecil cairan. Untuk tetes kecil yang berbentuk bola
dengan jari-jari r, tekanan dalam p yang perlu untuk mengimbangi gaya tarik yang
disebabkan oleh tegangan permukaan dihitung dalam gaya-gaya yang bekerja pada
suatu benda setengah bola bebas sebagai berikut:
p ……(1)
p = …….(2)
Gambar 1. Tegangan permukaan zat cair
Contoh indah yang dapat kita lihat adalah tetesan air hujan yang jatuh bebas
berbentuk bola karena bentuk bola memiliki luas permukaan yang lebih kecil untuk
volume tertentu dibandingkan dengan bentuk-bentuk yang lain.
75
Victor L. Streeter dan E. Benjamin Wylie di dalam bukunya “Mekanika Fluida” (1999) dinyatakan bahwa tegangan permukaan air berubah dari kurang lebih
0,074 N/m pada 200C sampai 0,059N/m pada 1000C.
Hugh D. Young dan Roger A. Freedman di dalam bukunya “Fisika Universitas Jilid I” (2002) , menyatakan bahwa pada umumnya tegangan permukaan fluida
mengalami penurunan saat terjadi kenaikan suhu. Suhu berhubungan dengan energi
gerak molekul dalam bahan. Saat suhu bertambah dan molekul cairan bergerak lebih
cepat, pengaruh interaksi antar molekul akan berkurang pada geraknya dan tegangan
permukaan akan berkurang. Contohnya: untuk mencuci pakaian dengan benar-benar
bersih, air harus dipaksa melalui ruang sempit di antara serat pakaian, yang sulit untuk
dilakukan akibat adanya tegangan permukaan. Hal ini akan menjadi lebih mudah
dilakukan dengan menurunkan nilai (tegangan permukaan). Oleh karena itu, air yang
panas (1000C) lebih baik dipakai untuk mencuci karena memiliki
dibandingkan dengan menggunakan air yang bersuhu 200C karena
namun yang terbaik adalah dengan menggunakan air sabun pada suhu 200C karena
.
Ditampilkan tabel nilai tegangan permukaan hasil percobaan:
Cairan yang bersentuhan dengan udara Suhu (0C) Tegangan permukaan
76 Benzena 20 28,9 Karbon tetraklorida 20 26,8 Etanol 20 22,3 Gliserin 20 63,1 Raksa 20 465,0 Minyak Zaitun 20 32,0 Air Sabun 20 25,0 Air 0 75,6 Air 20 72,8 Air 60 66,2 Air 100 58,9 Oksigen -193 15,7 Neon -247 5,15 Helium -269 0,12 E. Metode Jaeger
Metode Jaeger merupakan suatu metode yang dipergunakan untuk mengukur
77
Sebuah kapiler dengan mulut kecil dicelupkan dalam zat cair yang akan diukur
tegangan permukaannya
4 1
2
H 5 h
3
Gambar 5: Alat pengukur tegangan permukaan zat cair dengan metode Jaeger
Keterangan gambar:
1. Pipa kapiler
2. Botol penghasil tekanan
3. Pipa manometer
4. Corong
5. Tempat zat cair yang diukur.
Keterangan mengenai simbol-simbol persamaan:
d = massa jenis air di dalam manometer (kg/m3).
= massa jenis zat cair dalam tabung reaksi yang dihitung tegangan permukaannya
78
= ketinggian zat cair yang diukur tegangan permukaannya pada manometer (m)
= ketinggian air pada tabung reaksi (m)
Pipa kapiler dihubungkan dengan sebuah botol melalui suatu manometer yang
berisi zat cair dengan massa jenis d. Dengan meneteskan air dari corong ke dalam
botol maka tekanan udara dalam pipa kapiler akan naik dan akan menekan ke bawah
zat cair yang berada di dalam pipa kapiler. Ketika tekanan udara dalam pipa kapiler
cukup besar maka akan timbul gelembung udara dalam zat cair.
r
Po
Gambar 6. Terjadinya tegangan pada gelembung
Gaya di sekeliling tepi akibat tegangan permukaan sebesar (2 . Di mana 2
adalah keliling lingkaran (tetesan) dan adalah tegangan permukaan. Gaya ini
diimbangi oleh perbedaan tekanan ( ) antara tekanan dalam Pi dan tekanan luar Po
yang bekerja pada permukaan tetesan.
Fdownward = Fupward
(2 = (Pi– Po) r2 2 = (Pi– Po) r
(Pi– Po ) = …….(3)
79
Jika perbedaan ketinggian zat cair pada manometer H, maka P = , di
mana d merupakan massa jenis air di manometer. h merupakan ketinggian zat cair
yang berada di dalam pipa kapiler, maka P = . Sehingga diperoleh persamaan :
…….(4)
…….(5)
Keterangan:
h = ketinggian air pada tabung reaksi (m)
= massa jenis dari zat cair yang diukur tegangan permukaannya (kg/m3)
r = radius gelembung udara yang besarnya sepadan dengan jari-jari pipa kapilernya
(m).
g = percepatan gravitasi (m/s2)
= tegangan permukaan (N/m)
Dengan mengetahui H dan h pada saat pembentukan gelembung udara maka
kita dapat menghitung besar tegangan permukaan zat cair tersebut. Pada metode ini
gelembung dibentuk pada zat cair yang suhunya dapat dikontrol dengan mudah oleh
karena itu dapat ditentukan tegangan permukaan zat cair sebagai fungsi dari suhu.
Hugh D. Young dan Roger A. Freedman (2002), menyatakan bahwa pada
umumnya tegangan permukaan fluida mengalami penurunan saat terjadi kenaikan
suhu.