1
ANALISIS KONSEP MEMBERAN POTENSIAL DALAM
HUKUM GAUSS
oleh :
IDA BAGUS MADE SURYATIKA
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA
2 Abstrak
Biofisika merupakan konsep fisika yang dapat dipelajari di bidang biologi, kosep fisika tersebut misalnya hukum Gauss. Telah dianalisa secara sederhana bagaimana konsep hukum gauss dihubungkan denga konsep membran. Membran adalah lapis tipis, mempunyai stuktur planar dan merupakan material yang memisahkan dua lingkungan. Karena membrane terletak diantaradua lingkungan atau dua fasa dan mempunyai volume yang terbatas, maka membrane lebih layak disebut sebagaiinterphasedaripadainterface. Membran secara selektif mengontrol transport massa antara dua fasa atau lingkungan.
Hukum Gauss menyatakan bahwa fluks listrik total yang melalui sembarang permukaan tertutup (sebuah permukaan yang mencakup volume tertentu) sebanding dengan muatan lisfiik (netto) total di dalam permukaan itu. Sedangkan fluks dalam memberan dapat ditulis dalam sebuah hubungan N = A ⋅∆P
3
KATA PENGANTAR
Pujisyukur kami ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas karuniaNya sehingga
makalah aplikasi biofisika yang berjudul “Konsep memberan potensial dalam hukum Gauss”
berhasil diselesaikan dengan waktu yang telah ditentukan. Makalah biofisika ini disusun agar
dapat membantu dan mempermudah sertalebih memahami aplikasi fisika dalam bidang membran
khususnya pada hukum Gauss, Kami menyadari bahwa isi dan metode penulisan makalah ini
masih jauh dari sempurna, sehingga kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat
penyusun harapkan. Kiranya makalah ini akan bermanfaat bagi pembaca, pada kesempatan ini
penulis perlu kira mengucapkan terima kasih kepada kajur Fisika, mahasiswa Biofisika yang
telah membantu pencarian keterangan dan data yang diperlukan. Akhir kata kami menyampaikan
terimakasih kepada semua pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu persatu.
Bukit Jimbaran, Desember 2015
5 DAFTAR ISI
Kata Pengantar ...i Daftar Isi ...ii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LatarBelakang ...1 1.2 RumusanMasalah ...2 1.3 Tujuan ...2
BAB IILANDASAN TEORI
2.1 FluksListrik ...3 2.2 Hukum Gauss ...3
BAB III PEMBAHASAN
3.1 PengertianMemberan ...6 3.2 Jenis – JenisMemberan ...6 3.3 HubunganHukum Gauss denganKonsepMemberan ...11
BAB IV PENUTUP
6 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Konsep membran telah dikenal sejak abad kedelapan belas, tetapi digunakan sedikit di luar laboratorium sampai akhir Perang Dunia II. Pasokan air minum di Eropa telah terganggu oleh perang dan membran filter digunakan untuk menguji keamanan air. Namun, karena kurangnya keandalan, operasi lambat, mengurangi selektivitas dan biaya tinggi, membran tidak banyak dimanfaatkan. Penggunaan pertama membran dalam skala besar adalah dengan teknologi mikrofiltrasi dan ultra-filtrasi. Sejak 1980-an, proses ini pemisahan, bersama dengan elektrodialisis, bekerja di pabrik besar dan, saat ini, sejumlah perusahaan yang berpengalaman melayani pasar.
Membran Biologi merupakan membran yang terbentuk secara alami dan dapat ditemukan pada makhluk hidup. Sebagai contoh adalah membran sel dan membran intraseluler, serta membran mucous. Sedangkan membran sintetik adalah membran yang dibuat oleh manusia dengan tujuan tertentu. Membran sintetik banyak digunakan pada proses osmosis terbalik (reverse osmosis), filtrasi (mikrofiltrasi ataupun ultrafiltrasi), pervorasi, dialisis, elektrodialisis, membran emulsi liquid (Emulsion Liquid Membranes), ekstraksi pelarut, reaktor, dan pada pemisahan gas.
Membran sintetik merupakan membran yang dibuat dengan tujuan untuk proses pemisahan di laboratorium dan industri. Bagian yang aktif, yang hanya membolehkan transport material tertentu, biasanya tersusun atas polimer atau keramik, dan sedikit diantaranya berupa gelas atau logam. Suatu membran dapat mengandung bagian tambahan seperti pendukung mekanik, pengering, patch, dll.
Driving force dari transport material ditentukan oleh konsentrasi, tekanan, gradien elektrik atau gradien kimia sepanjang membran. Membran dapat dibuat dalam bentuk lembar datar, tabung, fiber kapiler dan fiber berlubang (hollow fiber). Sistem membran dapat berupa pelat dan kerangka, spiral wound module, hollow fibre module, serta tube-in-shell module.
7
dapat dijelaskan pada fungsi ini. Difusi Knudsen atau difusi larutan merupakan mekanisme yang menonjol. Membran polimerik sangat penting pada proses pemisahan gas, misalnya pemisahan oksigen dan nitrogen, penghilangan senyawa organik, dan pemurnian gas alam.
1.2Rumusan Masalah
Rumusan masalah dari makalah ini, yaitu: 1. Apa pengertian memberan? 2. Apa saja jenis memberan?
3. Bagaimana hubungan konsep memberan dengan hukum Gauss?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari makalah ini, yaitu:
1. Untuk mengetahui pengertian memberan. 2. Untuk mengetahui jenis-jenis memberan.
8 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. FLUKS LISTRIK
Fluks berkaitan dengan besaran medan yang “menembus” dalam arah yang tegak lurus suatu permukaan tertentu. Fluks listrik menyatakan medan listrik yang menembus dalam arah tegak lurus suatu permukaan. Ilustrasinya akan lebih mudah dengan menggunakan deskripsi visual untuk medan listrik (yaitu penggambaran medan listrik sebagai garis-garis). Dengan penggambaran medan seperti itu (garis), maka fluks listrik dapat digambarkan sebagai banyaknya “garis” medan yang menembus suatu permukaan.
Gambar 1. Fluks Listrik yang menembus suatu permukaan
2.2.HUKUM GAUSS
9
Gambar 2. Penemu hukum Gauss (Carl Friedrich Gauss).
Hukum Gauss adalah sebuah hubungan antara medan di semua titik pada permukaan dengan muatan total yang tercakup di dalam permukaan itu. Hal ini mungkin kedengarannya menyerupai sebuah cara yang cenderung tidak langsung untuk menyatakan sesuatu, tetapi terbukti akan merupakan sebuah hubungan yang sangat berguna. Selain kegunaannya sebagai alat perhitungan, hukum Gauss akan membantu kita mendapatkan penglihatan (insight) yang lebih dalam mengenai medan listrik.
Hukum Gauss menyatakan bahwa fluks listrik total yang melalui sembarang permukaan tertutup (sebuah permukaan yang mencakup volume tertentu) sebanding dengan muatan lisfiik (netto) total di dalam permukaan itu.
Hukum Gauss dapat digunakan untuk menghitung medan listrik dari sistem yang mempunyai kesimetrian yang tinggi (misalnya simetri bola, silinder, atau kotak). Untuk menggunakan hukum gauss perlu dipilih suatu permukaan khayal yang tertutup (permukaan gauss). Bentuk permukaan tertutup tersebut dapat sembarang.
Fluks Listrik pada sembarang bidang sama dengan hasil perkalian elemen luas dan komponen tegak lurus dari vektor medan listrik E yang diintegralkan pada sebuah permukaan:
10 Keterangan:
E= Medan Listrik
S= Permukaan Tertutup
D= Permivitas Medan Listrik
11 BAB III PEMBAHASAN
3.1. Pengertian Memberan.
Membran adalah lapis tipis, mempunyai stuktur planar dan merupakan material yang memisahkan dua lingkungan. Karena membran terletak diantara dua lingkungan atau dua fasa dan mempunyai volume yang terbatas, maka membran lebih layak disebut sebagai interphase daripada interface. Membran secara selektif mengontrol transport massa antara dua fasa atau lingkungan.
3.2.Jenis-jenis Memberan
Berdasarkan asalnya, membran dapat dibedakan menjadi 1. Membran biologi
Membran Biologi merupakan membran yang terbentuk secara alami dan dapat ditemukan pada makhluk hidup. Sebagai contoh adalah membran sel serta membran mucous.
a. Membran Sel
Permukaan luar setiap sel dibatasi oleh selaput halus dan elastis yang disebut membran sel. Membran ini sangat penting dalam pengaturan isi sel, karena semua bahan yang keluar atau masuk harus melalui membran ini. Hal ini berarti, membran sel mencegah masuknya zat-zat tertentu dan memudahkan masuknya zat-zat yang lain. Selain membatasi sel, membran sel juga membatasi berbagai organel-organel dalam sel, seperti vakuola, mitokondria, dan kloroplas.
12
Membran sel terdiri atas dua lapis molekul fosfolipid (lemak yang bersenyawa dengan fosfat). Bagian ekor dengan asam lemak yang bersifat hidrofobik (nonpolar), kedua lapis molekul tersebut saling berorientasi ke dalam. Sedangkan, bagian kepala bersifat hidrofilik (polar) mengarah ke lingkungan yang berair. Selain fosfolipid terdapat juga glikolipid (lemak yang bersenyawa dengan karbohidrat) dan sterol (lemak alkohol terutama kolesterol). Sedangkan, komponen protein terletak pada membran dengan posisi yang berbeda-beda. Beberapa protein terletak periferal, sedangkan yang lain tertanam integral dalam lapis ganda fosfolipid. Beberapa protein membran adalah enzim, sedangkan yang lain adalah reseptor bagi hormon atau senyawa tertentu lainnya. Komposisi lipid dan protein penyusun membran bervariasi, tergantung pada jenis dan fungsi membran itu sendiri. Namun, membran mempunyai ciri-ciri yang sama, yaitu bersifat permeable selektif terhadap molekul-molekul. Sehingga, membran sel dapat mempertahankan bentuk dan ukuran sel.
13
membran plasma tersusun atas molekol lipoprotein (lipid dan protein),
1. lipid berupa fosfolipid yang tersusun atas dua lapis (dwi fostopolida), glikolipid dan sterol,
2. protein berupa protein interistik (integral) dan protein extrinsiik (porifer)
membran plasma bersifat amfifilik (memiliki dua sifat yang berbeda), yaitu 1. hidrofilik (suka mengikat air) terdapat pada molekul fosfat
2. hidrofobik (tidak suka mengikat air) terdapat pada lapisan lemak
Sifat membran plasma
1. semipermiabel nah mungkin ada sebagian teman teman yang bertanya tanya mengapa membran plasma memiliki sifat semipermiabel ya di karenakan membran plasma dapat di lalui oleh molekul air
14
fungsi membran plasma berikut ini adalah fungsi dari membran plasma, 1. membungkus sel, membatasi perluasan sel, sebagai filter yang sangat selektif
2. merupakan alat untuk transport aktif, mengontrol masuknya nutrien dan keluarnya hasil metabolisme
3. menjaga perbedaan konsentrasi ion di dalam dan di luar sel 4. serta sebagai sensor untuk sinyal-sinyal yang terdapat di luar sel.
b. Memberan Mucous
Membran mukosa (jamak: mukosae) adalah lapisan kulit dalam, yang tertutup pada epitelium, dan terlibat dalam proses absorpsi dan proses sekresi. Membran ini melapisi berbagai rongga tubuh yang memiliki kontak dengan lingkungan luar, dan organ internal. Pada beberapa bagian tubuh, membran mukosa menyatu dengan kulit, misalnya pada lubang hidung, bibir, telinga, daerahkemaluan, dan pada anus. Cairan lengket dan tebal yang disekresikan oleh membran dan kelenjar mukosa disebut mukus. Istilah membran mukus merujuk pada daerah-daerah ditemukannya mukus dalam tubuh, dan tidak semua membran mukosa menyekresikan mucus
Sebuah selaput lendir adalah lapisan jaringan epitel yang melapisi area tubuh yang datang ke dalam kontak dengan udara. Selaput lendir yang lembab karena adanya kelenjar yang mengeluarkan cairan kental yang dikenal sebagai lendir , dan mereka penting untuk sejumlah fungsi tubuh. Selaput lendir melapisi saluran urogenital, saluran pencernaan , dan saluran pernapasan, dengan salah satu yang lebih terkenal selaput lendir menjadi lapisan interior hidung.
15
Lendir dapat bertindak sebagai pelumas, dan juga memfasilitasi pertukaran gas dan penyerapan. Di paru-paru, misalnya, lapisan tipis lendir sangat penting untuk fungsi paru-paru yang sehat. Kualitas penyerapan selaput lendir juga penting dalam saluran pencernaan, di mana tubuh menarik diperlukan nutrisi dari makanan saat melintas di sepanjang saluran pencernaan.Saluran pencernaan juga memiliki silia sangat aktif, seperti yang ditemukan di hidung.
Orang harus berhati-hati dengan selaput lendir mereka, karena mukosa bisa sangat halus.Meskipun lendir membantu melindungi tubuh, kapasitasnya untuk penyerapan juga bisa menjadi masalah, karena banyak racun dan zat berbahaya lainnya dapat dengan cepat diserap melalui mukosa. Sebagai orang yang telah memotong paprika dan kemudian digosok mata tahu, selaput lendir sangat mahir dalam menyerap berbagai senyawa, dan mereka juga sangat rentan terhadap rasa sakit.
Selaput lendir yang melapisi saluran urogenital dirancang untuk mencegah infeksi dan memberikan pelumasan, tetapi mereka juga dapat membuat seseorang rentan terhadap infeksi melewati antara pasangan seksual. Jika robekan mukosa atau dipotong, pembukaan dapat memberikan jalan untuk berbagai agen infeksius untuk memasuki tubuh, dan lendir akan mampu menghentikan infeksi di jalurnya. Sebagai wanita dengan infeksi vagina telah mencatat, perubahan keseimbangan organisme menguntungkan sekitar selaput lendir dapat menyebabkan pembuangan menyenangkan, gatal, dan gejala lain sebagai selaput lendir berjuang untuk melakukan tugasnya.
2. Membran sintetik.
Membran sintetik adalah membran yang dibuat oleh manusia dengan tujuan tertentu. Membran sintetik banyak digunakan pada proses osmosis terbalik (reverse osmosis), filtrasi (mikrofiltrasi ataupun ultrafiltrasi), pervorasi, dialisis, elektrodialisis, membran emulsi liquid (Emulsion Liquid Membranes), ekstraksi pelarut, reaktor, dan pada pemisahan gas.
16
diantaranya berupa gelas atau logam. Suatu membran dapat mengandung bagian tambahan seperti pendukung mekanik, pengering, patch, dll.
Sebuah membran sintetis, disebut juga sebagai membran artifisial, adalah suatu membran yang dibuat untuk proses pemisahan di laboratorium dan industri. Sisi aktif dari suatu membran, yang berfungsi sebagai transport selektif material, umumnya terbuat dari polimer atau keramik, dan kadang-kadang terbuat dari gelas atau logam. Sebuah sistem membran tersusun dari membran dan alat penunjang seperti alat penyangga, sistem aliran buang, dan sebagainya. Faktor pendorong terjadinya transpor material adalabeda konsentrasi, tekanan, konstanta elektrik atau konstanta kimia sepanjang membran. Membran dapat dibuat dalam bentuk lembaran, tabung, kapiler, ataupun hollow fibre. Membran kemudian disusun ke dalam bentuk pelat (plate and frame), modul spiral, modul hollow fiber, ataupun modul tube-in-shell.
Membran sintetis digunakan secara luas dalam proses mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, reverse osmosis, pervaporasi, separasi gas, dialisis ataupun kromatografi. Aplikasi bergantung I pada jenis membran yang digunakan.
3.3. Hubungan Hukum Gauss dengan Konsep Memberan
Di dalam sel terjadi pertukaran atau keluar masuk zat-zat tertentu yang pastinya harus menembus memberan sel sebelum akhirnya bisa keluar atau masuk kedalam sel. Salah satu factor mudah atau sulitnya zat menembus memberan adalah factor muatan listrik zat.Hampir semua transporter melibatkan fluks ion melintasi membran. Kalau sudah berbicara tentang Muatan listrik yang menembus permukaan, maka pasti ada hubungannya dengan fluks medan listrik dan Hukum Gauss.
17 Pemisahan dengan Menggunakan Membran
Teknologi membran memiliki beberapa keunggulan disbanding dengan proses pemisahan yang lain, sehingga teknologi membran semakin banyak dikembangkan. Keuntungan tersebut antara lain adalah pemisahandapat dilakukan secara kontinu, konsumsi energi cenderung rendah, dapat dikombinasikan dengan proses pemisahan yang lain, sifat-sifat dan variabel membran dapat disesuaikan, zat aditif yang
digunakan tidak terlalu banyak. Sedangkan kerugian-kerugiannya adalah terjadinya polarisasi konsentrasi atau membran fouling, umur membran yang relatif rendah. Membran dapat didefinisikan sebagai suatu lapisan semipermiabel yang dapat memisahkan komponen dalam suatu campuran berdasarkan sifat fisik dan atau sifat kimianya, dapat juga didefinisikan sebagai penghalang selektif antara dua fasa, yaitu fasa umpan dan fasa permeat. Proses pemisahan dapat terjadi karena adanya driving force, antara lain: gradient, konsentrasi (∆C), gradien tekanan (∆P), gradien suhu (∆T) dan gradient potensial listrik (∆E).
Kinerja membran ditentukan oleh dua parameter, yaitu permeabilitas (fluks) dan permselektifitas (efisiensi pemisahan). Fluks yang mengalir didefinisikan sebagai volume yang melewati membrane per satuan luas per satuan waktu. Permselektifitas adalah fraksi konsentrasi zat terlarut yang tertahan oleh membran dinyatakan dalam R (rejeksi).
Transport Massa
Perpindahan molekul atau partikel dari satu fasa (feed) ke fasa (permeat) dapat terjadi karena adanya gaya pendorong (driving force).
drivng force =
dimana = beda potensial spesies yang melewati membrane
= tebal membrane
Hubungan antara driving force dengan fluks dinyatakan dengan:
18
Terdapat dua tipe transport massa dalam membran, yaitu secara difusi molekular dan secara konveksi. Nilai fluks untuk difusi pelarut melalui membran adalah:
N = A ⋅∆P
dimana:
N = fluks massa (kg/s⋅m2)
A = konstanta permeabilitas pelarut (kg solvent/ s⋅m2⋅atm)
∆P = perbedaan tekanan (atm)
Proses mikrofiltrasi beroperasi pada tekanan 1 – 3 bar. Solute yang tertahan oleh membran akan tertumpuk pada permukaan membran sehingga konsentrasi zat terlarut (solute) di permukaan membran meningkat (gejala polarisasi konsentrasi), hal ini akan mendorong terjadinya difusi ke arah feed. Dengan meningkatnya pressure drop akan menigkatkan fluks pelarut (solvent) yang menuju dan yang melalui membran, perpindahan massa solute secara konveksi ke membrane juga akan meningkat sehingga solute yang terkandung dalam solvent yang melalui membran juga meningkat. Adanya peningkatan konsentrasi solute pada permukaan membran (Cs) sehingga difusi solute dari membrane ke larutan
c = konsentrasi solute (kg solute/m3)
D = difusifitas solute di dalam solvent (m2/s)
19
20 BAB IV PENUTUP
4.1. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan pada makalah ini, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Membran adalah lapis tipis, mempunyai stuktur planar dan merupakan material yang
memisahkan dua lingkungan. Karena membran terletak diantara dua lingkungan atau dua fasa dan mempunyai volume yang terbatas, maka membran lebih layak disebut sebagai interphase daripada interface. Membran secara selektif mengontrol transport massa antara dua fasa atau lingkungan.
2. Memberan ada 2 macam a. Membran biologis b. Membran sintesis
3. Hukum Gauss menyatakan bahwa fluks listrik total yang melalui sembarang permukaan tertutup (sebuah permukaan yang mencakup volume tertentu) sebanding dengan muatan lisfiik (netto) total di dalam permukaan itu. Sedangkan fluks dalam memberan dapat ditulisdalam sebuah hubungan N = A ⋅∆P
4.2. Saran
