LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMENTAL II PERCOBAAN FISIKA MEDIS (FM1)
PENGUKURAN KONSENTRASI LARUTAN DENGAN SENSOR KAPASITOR KEPING SEJAJAR
Pelaksanaan Praktikum
Hari : Jumāat Tanggal : 23 Agustus 2023 Jam ke : 5-6
Disusun oleh :
Bagas Dimas Pamungkas (182221018) Anggota Kelompok 1 Kelas B6 : Shifa Firnanda (182221002) Venny Pramudita Rahayu (182221004)
Dosen Pembimbing : 1. Winarno, S.Si., M.T.
2. Dr. Aminatun, Ir., M.Si.
LABORATORIUM FISIKA MEDIS DAN BIOFISIKA DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA
PERCOBAAN PENGUKURAN KONSENTRASI LARUTAN DENGAN SENSOR KAPASITOR KEPING SEJAJAR
Bagas Dimas Pamungkas1), Shifa Firnanda2), Venny Pramudita R.3) S1 ā Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga
Jl. Dr. Ir. H. Soekarno, Mulyorejo, Kota Surabaya
1)e-mail : [email protected]
2)e-mail : shifa.firnanda[email protected]
3)e-mail : venny[email protected]
ABSTRAK
Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari cara kerja sensor keping sejajar sebagai pengukur konsentrasi larutan dan mengukur nilai kapasitansi sensor tersebut untuk berbagai konsentrasi larutan. Sensor keping sejajar yang digunakan terbuat dari dua keping logam yang dipasang sejajar, dengan kapasitansi yang bergantung pada luas penampang, jarak antara keping, dan medium dielektrik di antaranya. Kapasitansi awal, C0 diukur saat sensor berada di udara. Ketika sensor dicelupkan dalam larutan dengan konstanta dielektrik tertentu, kapasitansi sensor berubah, memungkinkan penentuan kadar larutan berdasarkan perubahan nilai kapasitansi yang terukur. Data yang diperoleh dianalisis untuk menentukan korelasi antara kapasitansi terukur dengan konsentrasi larutan, serta untuk menguji linearitas dan ketelitian sensor kapasitif sebagai instrumen pengukur konsentrasi. Bahan yang akan digunakan pada percobaan ini adalah larutan gula dan garam dengan konsentrasi sebesar 25%, 20%, 15%, 10%, dan 5%. Hasil dari percobaan ini menunjukkan bahwa konsentrasi larutan gula memiliki penurunan kapasitansi yang landai dan larutan garam justru memiliki penurunan kapasitansi yang tajam.
Sehingga hubungan linearitas dari larutan gula adalah sebesar (y = 1,3x + 111) dengan nilai koefisien korelasi (R = 0,836). Dan untuk larutan garam adalah (y = 8,18x + 105) dan koefisien korelasi (R = 0,961).
Kata Kunci : Kapasitor Keping Sejajar, Sensor, Larutan, kapasitansi, Dielektrik.
A. TUJUAN
1. Menerangkan cara kerja sensor keping sejajar sebagai pengukur konsentrasi larutan.
2. Mengukur nilai kapasitansi sensor keping sejajar untuk berbagai konsentrasi larutan.
3. Menentukan korelasi antara kapasitansi terukur terhadap konsentrasi larutan.
4. Menguji linearitas dan ketelitian sensor kapasitif sebagai instrumen pengukur konsentrasi larutan.
B. LANDASAN TEORI
Kapasitor keping sejajar yang terbuat dari dua keping logam dengan luas penampang A dipasang sejajar berjarak antara d. Pada awalnya di antara kedua keping berisi udara, sehingga kapasitansi kapasitor adalah C0 yang berbanding lurus terhadap luas penampang dan berbanding terbalik dengan jarak. Secara matematik nilai kapasitansi keping sejajar dapat ditulis sebagai :
šš= ššš š
Jika keping sejajar tersebut dicelupkan ke dalam air dengan tetapan dielektrik ka maka nilai kapasitansinya menjadi
šš= š¤ššš
Selanjutnya jika keping sejajar dicelupkan ke dalam larutan gula dengan tetapan dielektrik kg maka nilai kapasitansinya menjadi
šš = š¤š šš
Karena tetapan dielektrik gula berbeda dengan tetapan dielektrik air, maka tetapan dielektrik larutan gula bervariasi terhadap kadar larutan gula tersebut.
Berdasarkan prinsip ini kadar larutan gula dapat ditentukan dengan mengukur nilai kapasitansi sensor keping sejajar yang tercelup dalam larutan gula tersebut.
Selain dapat digunakan sebagai pengukur kadar larutan gula, sensor keping sejajar juga dapat digunakan untuk menentukan kadar/ konsentrasi larutan yang lain. Dalam percobaan ini akan dilakukan pula pengukuran larutan garam.
Untuk menghindari terjadinya kesalahan pengukuran kapasitansi akibat perubahan nilai konduktansi larutan, perlu dilakukan pelapisan keping dengan bahan isolator pada permukaan logam yang digunakan. Konstruksi fisik sensor kapasitor keping sejajar lengkap dengan lapisan isolator seperti Gambar 1.
Gambar 1. Konstruksi fisik Sensor Kapasitor Keping Sejajar
Sifat-sifat larutan sangat dipengaruhi oleh komposisinya. Oleh karena itu digunakan istilah konsentrasi untuk menyatakan komposisi larutan (Setyarini, Setijono, Hatta, & Komponen, 2012). Konsentrasi larutan menunjukkan perbandingan antara jumlah zat terlarut dengan jumlah pelarut (Mei et al., 2015).
Sistem pengukuran kadar gula dalam bidang pertanian tebu dituntut untuk memberikan sumbangan dalam hal efisiensi dan biaya murah untuk meningkatkan produktivitas (M, Marzuki, & Yunianto, 2013). Untuk mendapatkan nilai ukur yang presisi dengan unjuk respon yang lebih baik pada pengukuran konsentrasi pada larutan di bidang pertanian dapat digunakan sifat elektrik yang dalam hal ini adalah konstanta dielektrik (Van Vuuren J. A.
J.;Meyer J.;Claasens, 2006)
lapisantembaga (keping logam) pertinak
lapisan isolator larutan gula d2
d1
Kapasitansi Meter
Konstanta dielektrik adalah karakteristik dari suatu zat, artinya setiap zat dengan karakteristik berbeda akan memiliki konstanta dielektrik yang berbeda.
Secara sederhana besarnya polarisasi elektrik disebabkan oleh 4 sumber yaitu : (a) komponen elektronik yang disebabkan oleh induksi medan pada awan elektron yang mengelilingi tiap atom pada suatu material, (b) konstribusi ionik yang diasosiasikan dengan gerak relatif kation dan anion dalam medan elektrik, (c) Polarisasi orientasional disebabkan karena rotasi dipol molekul dalam medan. Selain ketiga penyebab tersebut, sumber polarisasi suatu material juga disebabkan oleh pergerakan pembawa muatan, yaitu perpindahan ion atau elektron dibawah pengaruh medan (Chang, Yeh, & Lue, 2012).
Secara umum, terdapat tiga metode dalam pengukuran konstanta dielektrik larutan yaitu menggunakan metode pengukuran kapasitansi plat sejajar (Beroual, 2017; Lue, 2013), metode pengukuran menggunakan transduser kapasitif (Triyana, 2017) dan menggunakan metode reflectometry (Gramse et al., 2013; Sun et al., 2009). Diantara pengukuran ketiga kapasitansi metode tersebut adalah pengukuran yang paling sederhana.
C. PERALATAN DAN BAHAN 1. Kapasitansi meter digital.
2. Sensor keping sejajar.
3. Gelas kimia.
4. Tabung reaksi.
5. Gelas ukur.
6. Gula dan garam.
7. Aquades. 8. Neraca.
D. PROSEDUR KERJA
I. Pembuatan Larutan Uji
1. Larutkan 10 gram gula dalam 100 ml aquades, sehingga diperoleh 100 ml larutan K1 dengan kadar gula 100 gram/liter.
2. Lakukan proses pengenceran larutan dengan cara mengambil 8 ml larutan K1 dan tambahkan aquades sampai diperoleh 10 ml larutan K2
dengan kadar gula 80 gram/ liter.
3. Ambil 6 ml larutan K1 dan tambahkan aquades sampai diperoleh 10 ml larutan K3 dengan kadar gula 60 gram/ liter.
4. Ulangi prosedur pengenceran untuk pengambilan 4 ml, 2 ml dan 1 ml yang akan menghasikan larutan K4, K5 dan K6, yang masing-masing memiliki konsentrasi 40 gram/ liter, 20 gram/ liter dan 10 gram/ liter.
5. Ulangi prosedur 1 sampai dengan 4 untuk larutan garam.
II. Pengukuran Nilai Kapasitansi Sensor
1. Siapkan kapasitansi meter digital beserta sensor keping sejajarnya.
Pengaturan awal selektor satuan pada pF.
2. Siapkan larutan gula dengan konsentrasi K1 sampai dengan K6 dalam tabung reaksi masing-masing 10 ml .
3. Masukkan sensor keping sejajar dalam larutan K1.
4. Amati dan catat nilai kapasitansinya. Jika LED indikator overflow on, maka tombol selektor satuan harus dipindahkan ke satuan yang lebih besar, sebab hasil pengukurannya tidak benar.
5. Ulangi prosedur 3 sampai dengan 4 untuk larutan dengan konsentrasi yang lain.
6. Siapkan larutan garam dengan konsentrasi K1 sampai dengan K6 dalam tabung reaksi masing-masing 10 ml.
7. Lakukan prosedur 3 sampai dengan 5 untuk larutan garam. Untuk satuan pF, catat nilai kapasitansi diam (tanpa sensor keping sejajar).
Nilai kapasitansi diam digunakan sebagai faktor koreksi pada pengukuran dengan satuan pF.
E. DATA HASIL PENGAMATAN 1. Massa Garam : 25g
2. Massa Gula : 25g
3. Nilai Dielektrik Udara : 24.1 pF 4. Nilai Dielektrik Aquades : 108.3 pF 5. Volume Aquades : 100mL
6. Data Garam yang Diperoleh :
Tabel 1. Data Garam (NaCl)
Larutan
Vol.
Larutan (mL)
Vol.
Aquades (mL)
Konsen- trasi
(%)
Kapasitansi (pF)
Rata- rata Percobaan ke
1 2 3
K1 10 0 25 140,9 142,3 143,3 142,2
K2 8 2 20 127,4 130,5 132,2 130,0
K3 6 4 15 122,8 123,5 123,6 123,3
K4 4 6 10 118,7 119,5 119,4 119,2
K5 2 8 5 112,0 112,8 113,1 112,6
7. Data Gula yang Diperoleh :
Tabel 2. Data Gula (š¶12š»22š11)
Larutan
Vol.
Larutan (mL)
Vol.
Aquades (mL)
Konsen- trasi
(%)
Kapasitansi (pF)
Rata- rata Percobaan ke
1 2 3
K1 10 0 25 112,2 112,3 112,3 112,3
K2 8 2 20 111,7 111,6 112,1 111,8
K3 6 4 15 111,7 111,8 111,7 111,7
K4 4 6 10 111,3 111,5 111,8 111,5
K5 2 8 5 111,3 111,5 111,7 111,5
F. ANALISIS DATA
1. Menghitung Molaritas Larutan 1. Larutan Garam (NaCl)
Untuk memperoleh molaritas awal pada larutan garam 25 gram digunakan persamaan sebagai berikut :
š1 = šššš
šš Ć1000 š
Dalam percobaan ini menggunakan garam seberat 25g dan volume aquades sebesar 100mL, maka
š1 = 25
58,5Ć1000 100 š“š = š, šššš“
Dengan menggunakan nilai molaritas awal larutan garam maka dapat digunakan untuk menghitung molaritas hasil pengenceran pada masing- masing larutan yang telah divariasi sebagai berikut dengan persamaan :
š1š1 = š2š2
š2 = š1š1
š2
Di mana V2 merupakan volume akhir setelah pengeceran yaitu 10mL, Sehingga didapatkan tabel perhitungan berikut :
Tabel 1. Data Perhitungan Garam (NaCl)
Larutan Konsentrasi Larutan Setelah Pengeceran Kapasitansi š¾1 š2 =4,274Ć10ššæ
10ššæ = 4,274 M 142,2 pF
š¾2 š2 =4,274Ć8ššæ
10ššæ = 3,419 M 130,0 pF
š¾3 š2 =4,274Ć6ššæ
10ššæ = 2,564 M 123,3 pF
š¾4 š2 =4,274Ć4ššæ
10ššæ = 1,709 M 119,2 pF
š¾5 š2 =4,274Ć2ššæ
10ššæ = 0,854 M 112,6 pF 2. Larutan Gula (šŖšššÆššš¶šš)
Untuk memperoleh molaritas awal pada larutan gula 25 gram digunakan persamaan sebagai berikut :
š1 = šššš
šš Ć1000 š
Dalam percobaan ini menggunakan gula seberat 25g dan volume aquades sebesar 100mL, maka
š1 = 25
342Ć1000 100 š“š = š, ššš š“
Dengan menggunakan nilai molaritas awal larutan gula maka dapat digunakan untuk menghitung molaritas hasil pengenceran pada masing- masing larutan yang telah divariasi sebagai berikut dengan persamaan :
š1š1 = š2š2
š2 = š1š1
š2
Di mana V2 merupakan volume akhir setelah pengeceran yaitu 10mL, Sehingga didapatkan tabel perhitungan berikut :
Tabel 2. Data Perhitungan Gula (š¶12š»22š11)
Larutan Konsentrasi Larutan Setelah Pengeceran Kapasitansi š¾1 š2 =0,730Ć10ššæ
10ššæ = 0,730 M 112,3 pF
š¾2 š2 =0,730Ć8ššæ
10ššæ = 0,584 M 111,8 pF
š¾3 š2 =0,730Ć6ššæ
10ššæ = 0,438 M 111,7 pF
š¾4 š2 =0,730Ć4ššæ
10ššæ = 0,292 M 111,5 pF
š¾5 š2 =0,730Ć2ššæ
10ššæ = 0,146 M 111,5 pF 2. Membuat Grafik Hubungan antara Kapasitansi dengan Konsentrasi
ā¢ Hubungan Linearitas Larutan Garam (NaCl)
Gambar 1. Grafik Linieritas Larutan Garam (NaCl)
ā¢ Hubungan Linearitas Larutan Gula (šŖšššÆššš¶šš)
Gambar 2. Grafik Linieritas Larutan Gula (š¶12š»22š11)
G. PEMBAHASAN
Pada percobaan ini, pengukuran konsentrasi larutan dilakukan menggunakan sensor kapasitor keping sejajar, yang prinsipnya didasarkan pada perubahan kapasitansi sebagai fungsi dari sifat dielektrik atau bahan yang berada di antara dua keping logam paralel. Sensor ini terdiri dari dua keping logam datar yang ditempatkan sejajar, dengan larutan yang akan diukur konsentrasinya ditempatkan di antara kedua keping tersebut. Kapasitansi awal kapasitor diukur sebelum larutan ditambahkan. Kapasitansi ini merupakan kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik, yang dipengaruhi oleh jarak antar keping dan sifat material dielektrik di antaranya. Material dielektrik bersifat isolator tanpa medan listrik, namun akan membentuk dipol listrik saat ada medan listrik.
Ketika larutan ditambahkan, konsentrasi larutan akan mempengaruhi sifat dielektrik antara keping-keping kapasitor. Sebagai contoh, jika larutannya adalah elektrolit, ion-ion dalam larutan akan berinteraksi dengan medan listrik, mengubah kapasitansi. Larutan gula, yang merupakan non-elektrolit, tidak menghasilkan ion saat dilarutkan dalam air sehingga tidak menghantarkan arus listrik dengan baik.
Sebaliknya, larutan garam mengandung ion positif (kation) dan ion negatif (anion) yang dapat bergerak dan menghantarkan arus listrik.
Dalam percobaan ini, konsentrasi larutan gula dan garam bervariasi, yakni 25%, 20%, 15%, 10%, dan 5%, dengan larutan awal dibuat dengan melarutkan 25 gram gula atau garam dalam 100 ml air murni, menghasilkan larutan dengan konsentrasi 100 gram per liter. Larutan awal ini kemudian dibagi ke dalam tabung reaksi yang diberi label dari K1 hingga K5. Untuk K1, diambil 10 ml larutan awal (konsentrasi 25%), sedangkan untuk K2, K3, K4, dan K5 diambil masing-masing 8 ml, 6 ml, 4 ml, dan 2 ml larutan awal. Setiap tabung kemudian diisi air murni hingga volumenya menjadi 10 ml, sehingga tercipta larutan dengan konsentrasi yang berbeda melalui proses pengenceran. Setelah seluruh larutan gula dan garam siap, pengukuran dilakukan menggunakan sensor selama 30 detik.
Dilakukan analisis untuk menghitung molaritas larutan. Hasil perhitungan yang ditampilkan dalam tabel menunjukkan hubungan linear antara kapasitansi dan konsentrasi larutan gula. Persamaan garis yang diperoleh adalah (y = 1,3x + 111) dengan nilai koefisien korelasi (R = 0,836). Grafik yang dihasilkan menunjukkan
bahwa larutan gula memiliki penurunan kapasitansi yang relatif landai seiring dengan penurunan konsentrasi.
Untuk larutan garam, molaritas juga dihitung dan grafik hubungan linear antara kapasitansi dan konsentrasi larutan garam diperoleh dengan persamaan (y = 8,18x + 105) dan koefisien korelasi (R = 0,961). Grafik ini menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi garam, semakin tinggi pula nilai kapasitansi, karena larutan garam merupakan penghantar arus listrik yang baik dan bersifat elektrolit.
Volume larutan mempengaruhi nilai kapasitansi sensor kapasitor keping sejajar, terutama jika konsentrasi zat dalam larutan berubah dengan perubahan volume. Kapasitansi dipengaruhi oleh jumlah material dielektrik yang ada di antara keping-keping kapasitor. Jika volume larutan ditingkatkan tetapi konsentrasi zat tetap konstan, kapasitansi akan tetap sama. Namun, jika volume larutan ditingkatkan bersamaan dengan peningkatan konsentrasi zat (misalnya, dengan menambahkan lebih banyak zat ke dalam volume yang sama), maka kapasitansi akan berubah. Hal ini disebabkan karena konsentrasi zat mempengaruhi sifat dielektrik larutan.
H. SIMPULAN
1) Nilai kapasitansi bergantung pada jumlah zat dalam volume larutan, selama sifat dielektrik zat tersebut berubah seiring dengan perubahan konsentrasi.
Jika konsentrasi atau jenis zat dalam larutan tetap tidak berubah, maka perubahan volume larutan tidak akan mempengaruhi nilai kapasitansi.
2) Penurunan konsentrasi gula menunjukkan penurunan data yang landai. Hal ini disebabkan karena gula merupakan non-elektrolit yang tidak menghasilkan ion-ion untuk meningkatkan kapasitansi.
3) Sebaliknya, penurunan konsentrasi garam menunjukkan perubahan data yang tajam. Hal ini disebabkan oleh sifat elektrolit garam, yang menghasilkan ion-ion yang meningkatkan kapasitansi larutan.
4) Perubahan konsentrasi larutan memengaruhi kapasitansi kapasitor, yang berhubungan dengan kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik.
I. SARAN
Ketika menempatkan larutan ke dalam gelas kimia untuk K1, K2, K3, K4, dan K5, pastikan volume larutan sudah tepat sebanyak 10 ml, karena tinggi volume dapat mempengaruhi nilai kapasitansi. Selanjutnya, gunakan rentang waktu 30 detik saat mengukur nilai kapasitansi untuk setiap pengujian pada larutan berikutnya.
J. DAFTAR PUSTAKA
Beroual, M. A. B. A. (2017). Experimental Characterisation of Concrete Containing Different Kinds of Dielectric Inclusions Trough Measurements of Dielectric Constant and Electrical Resistivity.
Procedia Environmental Sciences, 37, 647ā654.
https://doi.org/10.1016/j.proenv.2017.03.051
Chang, K. C., Yeh, Y. C., & Lue, J. T. (2012). Measurement of the Dielectric Constants of Zinc Metallic Nanoparticles at Various Frequencies.
Measurement, 45(4), 808ā813.
https://doi.org/10.1016/j.measurement.2011. 06.021
Gramse, G., Edwards, M. A., Fumagalli, L., & Gomila, G. (2013). Nanoscale Measurement of the Dielectric Constant of Supported Lipid Bilayers in Aqueous Solutions with Electrostatic Force Microscopy. Biophysics, 104(6), 1257ā1262. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2013.02.011
M, A. N., Marzuki, A., & Yunianto, M. (2013). Desain Sensor Serat Optik Sederhana untuk Mengukur Konsentrasi Larutan Gula dan Garam Berbasis Pemantulan dengan Menggunakan Konfigurasi Jarak Cermin Fiber Optik Tetap. Indonesian Journal of Applied Physics, 3(2), 163ā
168.
Mei, L., Putri, A., Prihandono, T., & Supriadi, B. (2015). Pengaruh Konsentrasi Larutan Terhadap Laju Kenaikan Suhu Larutan.
PJMK Fisika Eksperimental II. 2023. Petunjuk Praktikum Fisika Ekspetimental II. Surabaya : Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga.
Van Vuuren J. A. J.;Meyer J.;Claasens, H. (2006). Potential Use of Near Infrared Reflectance Monitoring in Precision Agriculture. Commun. Soil Sci.
Plant Anal., 37, 2171 2184.
K. LAMPIRAN
1. Menimbang masing-masing bahan gula dan garam sebanyak 25 gram
2. Melarutkan gula dan garam pada 100mL aquades
3. Larutan gula dan garam pada variasi K1-K5
4. Pengukuran Kapasitansi (pF) larutan gula dan garam pada variasi K1-K5
