Bab II KAPILARITAS
(CAPILLARITY) (CAPILLARITY) Oleh :
NISA NURINA VALERIE 1406 201 809
Bab II. Kapilaritas (Capillarity)
II.1 Tegangan Permukaan dan Energi Bebas Permukaan II.2 Persamaan Young dan Laplace
II.3 Beberapa Percobaan dengan Soap Films II.4 Kenaikan Kapiler (Capillary Rise) II.5 Metode Maximum Bubble Pressure II.6 Metode Drop Weight
II.7 Metode Cincin (Ring Method) II.7 Metode Cincin (Ring Method) II.8 Metode Wilhelmy Slide
II.9 Metode Berdasarkan Bentuk Tetesan atau Gelembung a. Metode Pendant Drop
b. Metode Sessile Drop atau Bubble Method
II.10 Dynamic Methods untuk Pengukuran Tegangan Permukaan a. Flow Methods
b. Capillary Waves
II.11 Nilai Tegangan Permukaan dari Berbagai Metode
Contoh kapilaritas yang paling umum adalah meniskus dan tetesan yang
terbentuk dari cairan di dalam udara atau di dalam cairan lain dan film tipis
yang membentuk gelembung sabun.
Karena ini berhubungan dengan bentuk keseimbangan, kapilaritas menduduk i
tempat dalam kerangka termodinamika – berhubungan dengan perilaku makroskopik dan statistik dari antarmuka dibandingkan dengan detail struktur II.1 Tegangan Permukaan dan Energi Bebas Permukaan
makroskopik dan statistik dari antarmuka dibandingkan dengan detail struktur molekularnya.
Tegangan permukaan merupakan sifat dari cairan terhadap udara sehingg a
membuatnya bertindak seolah-olah dilapisi oleh selaput tipis.
Molekul di dalam cairan saling berinteraksi satu sama lain dengan m
olekul-molekul lain dari segala sisi, sedangkan olekul-molekul di sepanjang permukaan hanya dipengaruhi oleh molekul yang berada di bawahnya.
Interaksi molekul dalam zat cair diseimbangkan oleh gaya tarik yang sama ke
segala arah.
Molekul pada permukaan cairan mengalami ketidakseimbangan gaya sehingga muncul energi bebas pada permukaan tersebut.
Energi yang timbul pada antarmuka Energi yang timbul pada antarmuka dua fluida tersebut disebut sebagai
energi bebas permukaan.
Jika salah satu fluida berupa gas dengan cairan maka yang terukur adalah tegangan permukaan.
Jika permukaan yang diamati adalah antarmuka dua cairan maka yang terukur adalah tegangan antarmuka.
Salah satu cara untuk mengilustrasikan tegangan permukaan, γ γγ γ, sebagai gaya per satuan panjang, adalah soap film datar yang diregangkan sepanjang kawat
sebesar γl. Kerja yang dilakukan sepanjang jarak, dx, adalah
apabila tegangan permukaan, γ γγ γ, muncul sebagai kerja yang dilakukan per u nit
luas permukaan, maka dimana dA = l dx. dx l γ = kerja
dA γ = kerja
luas permukaan, maka dimana dA = l dx.
Tegangan permukaan diukur dalam satuan SI, N/m atau J/m 2
, dan dalam satuan
cgs, dyne/cm atau erg/cm 2
.
dA γ = kerja
Ilustrasi kedua yang menyangkut soap film adalah gelembung sabun. Tegangan permukaan dianggap sebagai bentuk dari energi per satuan luas permukaan. Dengan tidak adanya medan gravitasi, gelembung sabun berbentuk bulat, sebagai bentuk luas permukaan minimum untuk memberikan volume terkecil.
Sebuah gelembung sabun dengan jari-jari, r, energi bebas permukaan totalnya adalah 4π ππ πr
2
γ γγ γ. Apabila
jari-jari berkurang sebesar dr, maka energi bebas
permukaannya menjadi 8π ππ πrγ γγ γ dr. permukaannya menjadi 8π ππ πrγ γγ γ dr. Karena penyusutan menurunkan energi permukaan,
cenderung diseimbangkan dengan perbedaan
tekanan, ∆ ∆∆ ∆P, yang melewati film, sehingga kerja terhadap perbedaan tekanan ∆ ∆∆ ∆P 4π ππ πr
2
dr sebanding
dengan penurunan dari energi bebas permukaan.
Jadi, dapat disimpulkan bahwa semakin kecil gelmbung, maka tekanan udara di dalam gelembung akan semakin besar dibandingkan dengan tekanan udara di luar gelembung.
Beberapa gejala tegangan permukaan : • Embun atau titik-titik air hujan
Tegangan permukaan memberikan bentuk
bulat, karena bentuk ini mempunyai luas permukaan terkecil.
• Pembentukan tetesan-tetesan
Air keluar dari kran mengumpulkan massanya sampai titik dimana tegangan permukaan tidak dapat menahannya pada kran. Tegangan permukaan membentuk
tetesan yang bulat. Tetesan ini akan jatuh dan pecah menjadi tetesan-tetesan, karena adanya gaya gravitasi.
• Gelembung-gelembung sabun
Gelembung-gelembung tidak dapat
terbentuk dari air biasa karena air mempunyai tegangan permukaan yang
sangat tinggi, tetapi penggunaaan surfaktan dapat menurunkan tegangan permukaan.
• Emulsi
Minyak tidak akan bercampur dengan air secara spontan, tetapi surfaktan mempermudah terbentuknya
tetesan-tetesan kecil minyak dalam air, atau sebaliknya.
• Water Strider
Serangga kecil dapat berjalan di atas air karena beratnya tidak cukup untuk
menembus permukaan air. • Benda mengapung
Jika diletakkan pelan-pelan, benda kecil dapat mengapung di atas permukaan air walaupun densitasnya bebarapa kali lebih besar daripada densitas air.
II.2 Persamaan Young dan Laplace
Persamaan Young dan Laplace menguraikan perbedaan tekanan, ∆ ∆∆ ∆P, pada meniskus antara dua cairan. Umumnya, perlu untuk menentukan jari
-jari
lengkungan, R 1
dan R 2
, untuk menggambarkan suatu permukaan lengkung. ( )( ) ( ) ∆P Work Work ∆ dz xy dx y dy x γ dx y dy x xy dy y dx x A = + = + = − + + = 2 2 2 1 1 1 atau atau ∆P Work R dz y dy R y dz R dy y R dz x dx R x dz R dx x dz xy = = + + = = + + = Young Laplace
Persamaan dasar dari kapilaritas |
| ¹ | \ | + = 2 1 1 1 R R γ ∆P
II.3 Beberapa Percobaan dengan Soap Films Soap film yang diregangkan sepanjang kawat.
Berbentuk planar, karena tekanan di kedua sisi kawat sama.
Ilustrasi dari persamaan Young dan Laplace. Ilustrasi dari persamaan Young dan L aplace.
Hubungan antara tekanan di dalam gelembung sabun bulat dan jari-jari kelengkungannya.
Soap film silinder.
Tekanan di kedua sisinya sama, sehingga ∆ ∆∆ ∆P-nya nol. II.4 Kenaikan Kapiler (Capillary Rise)
Apabila cairan membasahi bejana, maka permukaan cairan akan berbentuk cekung, dimana tekanan dalam cairan lebih kecil daripada tekanan pada fasa gas.
Apabila cairan tidak membasahi bejana, maka permukaan cairan akan berbentuk cembung.
Misalnya :
Tabung yang berisi air memperlihatkan kenaikan
kapiler positif, dimana air menempel pada sisi tabung yang menyebabkan permukaannya sedikit
naik.
Tabung yang berisi raksa memperlihatkan
kenaikan kapiler negatif, dimana raksa ditarik sejauh mungkin dari dinding tabung yang
menyebabkan permukaannya sedikit turun. r gh r P γ ρ γ 2 2 = ∆ = ∆
Karena kedua jari lengkungan sebanding satu sama lain dan terhadap jari-jari kapiler, maka persamaan Young-Laplace menjadi
r gh θ γ ρ cos 2 = ∆
Apabila cairan bertemu dengan dinding kapiler pada suatu sudut θ θθ θ, dan jika
meniskus masih dianggap berbentuk bulat, maka R 2
= r/cos θ θθ θ, karena R 1
= R 2 ,
maka persamaan menjadi
Masih disumsikan bahwa kapiler adalah potongan penampang lintang berbentuk lingkaran sehingga bentuk meniskus digambarkan seperti gambar di samping.
R 1
mengayun pada bidang kertas, dan R 2
berada
tegak lurus dengan kertas, sehingga diperoleh
Persamaan tersebut juga digunakan untuk metode Wilhelmy Slide, yaitu dengan menurunkannya menjadi ( ) ( ) + + + = ∆ 2 1 2 2 3 2 ' 1 ' ' 1 " y x y y y gy γ ρ θ sin 1 2 − = | ¹ | \ | a h
Berat total dari kolom cairan dalam kapiler dihitung dengan persamaan Diasumsikan bahwa meniskus menggantung pada dinding kapiler dan beratnya
didukung oleh komponen vertikal dari tegangan permukaan, γ γγ γ cos θ θθ θ, dikali n
dengan lingkar penampang lintang kapiler, 2π ππ π . θ γ π cos 2 r W =
Metode ini biasanya dianggap sebagai metode yang paling akurat dibandingkan metode yang lainnya, sebagian karena teori telah terpecahkan secara seksama dan sebagian karena variabel percobaan dapat dikontrol secara mudah.
Untuk hasil yang paling akurat, cairan perlu membasahi dinding kapiler
sedemikian rupa sehingga tidak ada ketidakpastian dalam sudut kontak nya.
Karena ketransparanannya dan dibasahi oleh hampir semua cairan, maka
biasanya digunakan gelas kapiler. Gelas harus sangat bersih, dan kapilernya
harus vertikal secara akurat.
II.5 Metode Maximum Bubble Pressure
Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukaan dengan ca ra
mengukur tekanan maksimum dari tiap gelembung. Pengukurannya tidak tergantung pada sudut kontak dan dapat dilakukan dengan cepat
II.6 Metode Drop Weight
Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukaan cairan-udara dan antarmuka cair-cair, yaitu dengan mengukur berat per tetesan yang jatuh.
Tetesan adalah sejumlah kecil volume zat cair, yang secara keseluruh an atau
hampir keseluruhan dikelilingi oleh permukaan bebas.
Cara termudah untuk membentuk tetesan adalah dengan membiarkan zat cair
untuk mengalir perlahan dari tabung vertikal yang berdiameter kecil. Ketika untuk mengalir perlahan dari tabung vertikal yang berdiameter kecil. Ketika
bakal tetesan mencapai ukuran tertentu, akan mengakibatkan ketidakstab ilan
sehingga tetesan tersebut akan memisahkan dirinya sendiri.
Caranya adalah dengan membentuk tetesan cairan pada ujung tabung, d an
membiarkannya jatuh ke dalam bejana sampai cukup terkumpul, sehingga berat per tetesan dapat ditentukan secara akurat.
Berdasarkan hukum Tate, berat per tetesan adalah
Cara yang umum dipakai adalah menerapkan faktor koreksi, f, γ π W 2 =
f r W γ π 2 ' =
Cara yang umum dipakai adalah menerapkan faktor koreksi, f, Nilai tegangan permukaan yang diperoleh,
Perlu dicatat bahwa tidak hanya faktor koreksi yang sangat besar, tetapi jari-ja ri
ujung tetesan juga tergantung pada sifat alamiah dari cairan.
Jadi, tidak benar untuk berasumsi bahwa berat tetesan untuk dua cairan adalah perbandingan tegangan permukaan masing-masing cairan ketika digunakan
ukuran ujung tetesan yang sama. f r mg π γ 2 = f r W γ π 2 ' =
II.7 Metode Cincin (Ring Method)
Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukan atau tegan gan
antarmuka, dimana yang diukur adalah tarikan maksimum cincin pad a
permukaan cairan.
Alat yang digunakan adalah tensiometer, yaitu alat dengan cincin pl
atinum-iridium yang bergerak secara vertikal terhadap cairan dalam tabung. C incin
digantung dan dibenamkan dalam zat cair kemudian ditarik ke atas perl ahan digantung dan dibenamkan dalam zat cair kemudian ditarik ke atas perlahan
melalui permukaan zat cair. Tegangan permukaan diukur berdasarkan ga ya
maksimum yang dibutuhkan untuk menarik cincin keluar dari permuka an cairan. γ πR W W cincin tot 4 + = | | ¹ | \ | = = r R V R f p f , 3 γ
II.8 Metode Wilhelmy Slide
Pengamatan dasarnya adalah bahwa plat tipis, seperti kaca mikrosko p atau
potongan platinum foil, akan mendukung meniskus yan beratnya terukur secara statis atau oleh pemisahan yang sangat akurat dengan persamaan :
Cara yang digunakan adalah dengan menaikkan tinggi cairan secara berta hap
sampai menyentuh plat yang tergantung pada timbangan Kenaikan berat aka n
terukur. Persamaan umumnya adalah p W W
plate tot γ + =
terukur. Persamaan umumnya adalah p
W ∆
= θ γ cos
Cara tersebut dilakukan untuk menggantung plat
sedemikian rupa sehingga terbenam sebagian dan untuk menentukan antara keadaan yang kering dan yang terbenam
dalam cairan, maka berat meniskusnya ditimbang.
Cara ini bermanfaat terutama dalam mempelajari adsorpsi permukaan atau monolayer, dimana perubahan tegangan permukaan dapat terukur.
II.9 Metode Berdasarkan Bentuk Tetesan atau Gelembung • Metode Pendant Drop
• Metode Sessile Drop atau Bubble Method • Metode Sessile Drop atau Bubble Metho d
II.9 Metode Berdasarkan Bentuk Tetesan atau Gelembung
Tetesan-tetesan atau gelembung-gelembung kecil cenderung berbentuk b ula
karena kekuatan permukaan tergantung pada luas permukaannya (kuadr at
dimensi linier), sedangkan penyimpangan akibat efek gravitasi tergantung pada volume (pangkat tiga dimensi linier).
Ketika efek gravitasi dan tegangan permukaan dibandingkan, maka tegang an
permukaan dapat ditentukan dari pengukuran bentuk tetesan atau gelembu ng permukaan dapat ditentukan dari pengukuran bentuk tetesan atau gele mbung
yang dihasilkan.
• Metode Pendant Drop
Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukaan dan tegangan antarmuka dari suatu tetesan berdasarkan bentuk geometri atau ukuran dari suatu tetesan yang kemudian dianalisis secara optik.
Kuantitas kebergantungan bentuk digambarkan sebagai S = d s /d e , d e adalah
diameter euatorial dan d
s
adalah diameter yang terukur pada jarak d e
naik
dari ujung tetesan. Parameter ukuran bentuk, b, dikombinasikan denga n β ββ β denan mendefnisikan H = –β ββ β(d e /) 2 . Maka
Keuntungan dari metode ini adalah penggunaan volume cairan yang sangat
kecil, dapat mengukur tegangan antarmuka yang sangat rendah dan dapat mengukur bahan yang dicairkan dengan mudah.
( ) H gd b d gd gb e e e 2 2 2 2 / ρ β ρ β
ρ γ ∆ = ∆ − = ∆ − =
• Metode Sessile Drop atau Bubble Method
Metode ini telah digunakan untuk mengukur tegangan permukaan sebagai fungsi waktu, misalnya tegangan permukaan dari logam-logam yang dicairkan dan tegangan antarmuka cair-cair.
Metode ini mengukur tegangan permukaan dan densitas dengan Metode ini mengukur tegangan permukaan dan densitas dengan
menempatkan tetesan pada permukaan padatan dan mengukur sudut kontak optiknya.
II.10 Dynamic Methods untuk Pengukuran Tegangan Permukaan • Flow Methods
• Capillary Waves • Capillary Waves
II.10 Dynamic Methods untuk Pengukuran Tegangan Permukaan
Untuk mempelajari efek relaksasi permukaan pada skala waktu yang sangat kecil, maka metode dinamika ini diperlukan.
• Flow Methods Persamaannya adalah
dimana ρ ρρ ρ adalah densitas cairan, ν νν ν adalah percepatan volume, λ λλ ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 3 / 5 1 6 24 / 37 1 4 λ π λ ρν γ r r r b app + + =
panjang gelombang, r adalah jumlah jari-jari minimum dan maksimum, dan b adalah perbedaan keduanya.
Metode oscillating jet ini tidak cocok untuk mempelajari antarmuka c
airan-udara, dan metode alternatifnya adalah berdasarkan bentuk dari kolom jatuh cairan pada tegangan permukaannya.
Karena hydrostatic head, maka percepatan liniernya meningkat dengan h,
jaraknya menjauh dari nozzle, luas penampang lintang kolom harus menurun untuk kebutuhan keseimbangan bahan. Efek tegangan permukaan ini adalah untuk mencegah penyusutan penampang lintang.
• Capillary Waves
Panjang gelombang dari suatu gelombang kecil (ripples) pada permukaan cairan tergantung pada tegangan permukaan. Berdasarkan persamaan yang diberikan oleh Lord Kelvin,
dimana ν νν ν adalah percepatan propagasi, λ λλ λ adalah panjang gelombang, dan τ ττ τ ρλ
πγ π λ
ν 2 2 2 + = g 2 2 2 3 4 2 π ρ λ πτ ρ λ γ g − =
dimana ν νν ν adalah percepatan propagasi, λ λλ λ adalah panjang gelombang, dan τ ττ τ adaah periode dari ripples.
Gelombang terukur sebagai standing waves, dan keadaannya kemungkinan menjadi statis. Unsur-unsur individu dari cairan dalam suatu daerah permukaan mengalami gerakan melingkar, dan permukaan secara berurutan diperluas dan dimampatkan.
Konsekuensinya, muncul damping walaupun dengan cairan murni sekalipun, bahkan lebih dengan lautan atau permukaan film dimana perluasan diikuti oleh perubahan tegangan permukaan dan bahan penghubung antar lapisan permukaan
.
II.11 Nilai Tegangan Permukaan dari Berbagai Metode
Data yang diberikan pada Tabel II-9 telah dipilih dengan tujua n sebagai
persediaan data untuk digunakan sebagai acuan terhadap nilai teg angan
permukaan dalam mempelajari antarmuka secara umum.
Sebagai tambahan, sejumlah nilai-nilai juga dimasukkan untuk unsur yang t ak
biasa untuk menyediakan suatu gambaran umum tentang bagaimana sifat in i
juga mencakup . juga mencakup .
Banyak dari acuan yang dikutip dalam tabel berisi sangat banyak data tambahan dari nilai tegangan permukaan pada suhu yang berbeda dan untuk cairan lain
dengan jenis yang sama. Terima Kasih ... .
