Tegangan Permukaan Gejala Kapilaritas: Pengertian Rumus Pipa Kapiler Kawat U Kohesi Adhesi Contoh Perhitungan Zat Cair 7

Pengertian Tegangan Permukaan. Tegangan permukaan suatu zat cair didefinisikan sebagai gaya tiap satuan panjang. Jika pada suatu permukaan sepanjang l bekerja gaya sebesar F yang arahnya tegak lurus pada l, dan γ menyatakan tegangan permukaan, maka besarnya tegangan yang bekerja pada permukaan zat cair dapat diformulasikan dengan persamaan sebagai berikut.

γ =F/l

Keterangan:

F = gaya (N)

l=  panjang permukaan (m)

γ = tegangan permukaan (N/m)

Prinsip Pengukuran Tegangan Permukaan Zat Cair

Besarnya tegangan permukaan yang bekerja pada zat cair dapat ditentukan dengan menggunakan sebuah kawat yang dibentuk seperti hurup U. Selanjutnya, seutas kawat lurus dipasang sehingga dapat bergerak pada kaki kaki kawat U tersebut.

Prinsip Penentuan Tegangan Permukaan Zat Cair.
Prinsip Penentuan Tegangan Permukaan Zat Cair.

Selanjutnya kawat dicelupkan ke dalam air mengandung sabun dan ditarik keluar, kawat lurus akan cenderung tertarik ke atas.

Jika berat w1 tidak terlalu besar, maka keadaan tersebut dapat diseimbangkan dengan menambah beban w2. Dalam keadaan setimbang dan temperature tetap, kawat lurus dapat digeser tanpa mengubah keseimbangannya.

Pada keadaan setimbang ini, gaya permukaan air sabun sama dengan gaya berat kawat lurus ditambah dengan berat beban.

F = w1 + w2

Rumus Tegangan Permukaan

Karena lapisan air sabun memiliki dua permukaan, maka gaya permukaan berkerja sepanjang 2l, sehingga tegangan permukaan zat cair dapat diformulasikan dengan rumus berikut.

γ  =F/2l

Tegangan permukaan suatu zat cair berhubungan dengan garis gaya tegang yang dimiliki permukaan zat cair tersebut. Gaya tegang ini berasal dari gaya Tarik antar molekul-molekul zat cair.

Pengertian Gaya Kohesi

Gaya tarik-menarik antara partikel-partikel yang sejenis disebut kohesi,

Pengertian Gaya Adhesi

Sedangkan gaya tarik-menarik antara partikel-partikel yang tidak sejenis disebut adhesi.

Gaya Tarik Menarik Antara Partikek Dalam Zat Cair.
Gaya Tarik Menarik Antara Partikek Dalam Zat Cair.

Molekul A yang berad di dalam zat cair mengalami gaya kohesi dengan molekul- molekul di sekitarnya dari berbagai arah, dengan demikian molekul A tersebut berada pada keseimbangan atau resultan gayanya sama dengan nol.

Sedangkan molekul B yang berada di permukaan zat cair tidak mengalami hal yang berbeda. Molekul B ini mengalami kohesi dari partikel di bawah dan di sampingnya saja. Resultan gaya kohesi pada molekul ini ke arah bawah tidak sama dengan nol.

Resultan gaya ke bawah akan membuat permukaan zat cair sekecil-kecilnya. Akibatnya, permukaan zat cair menegang seperti selaput yang tipis. Keadaan ini dinamakan tegangan permukaan.

Contoh Tegangan Permukaan Zat Cair.

Gejala- gejala yang dapat menunjukkan tegangan permukaan zat cair diantaranya adalah, air yang keluar dari pipet berupa tetesan berbentuk bulat- bulat atau pisau silet yang dpat mengpung di atas permukaan air (diletakkan di permukaan air secara hati-hati), serangga air yang dapat berjalan di permukaan air, kenaikan batas air pada pipa kapiler dan terbentuknya buih dan gelembung padad air sabun.

Pengertian Gejala Kapilaritas.

Kapilaritas adalah peristiwa naik turunnya zat cair di dalam pipa kapiler (pipa sempit). Pada zat cair yang mengalami meniskus cekung, tegangan permukaan menarik pipa ke arah bawah karena tidak seimbang oleh gaya tegangan permukaan yang lain.

Sesuai dengan hukum III Newton tentang aksi reaksi, pipa akan melakukan gaya yang sama besar pada zat cair, tetapi dalam arah berlawanan. Gaya inilah yang menyebabkan zat cair naik. Zat cair berhenti naik ketika berat kolom zat cair yang naik sama dengan gaya ke atas yang dikerjakan pada zat cair (w = F).

Analisis Gejala Kapiler pada Pipa.
Analisis Gejala Kapiler pada Pipa.

Rumus Gejala Kapilaritas

Jika massa jenis zat cair adalah ρ, tegangan permukaan γ, sudut kontak θ, kenaikan zat cair setinggi h, dan jari-jari pipa kapiler adalah R, maka berat zat cair yang naik adalah:

w = m g = ρ V g = ρ π R2 h g.

Komponen gaya vertikal yang menarik zat cair sehingga naik setinggi h adalah

F = (γ cos θ)(2πR) = 2πR g cosθ.

Jika nilai F disubstitusi oleh w = ρ π R2 h g, maka persamaannya menjadi seperti berikut.

Jadi jika w = F, maka

ρ π R2 h g =  2πR g cosθ

Tinggi h dapat dihitung dengan formulasi persamaan berikut

h =  (2 γ cosθ)/( ρ g R)

Keterangan:

h = kenaikan/penurunan zat cair dalam pipa (m)

γ = tegangan permukaan N/m

θ = sudut kontak (derajat)

ρ = massa jenis zat cair (hg/m3)

R = jari-jari pipa (m)

1). Contoh Soal Perhitungan Gejala Kapilaritas Pada Pipa Kapiler.

Sebuah pipa kapiler dengan jari jari 1mm dimasukan ke dalam air secara vertical. Air memiliki massa jenis 1 g/cm2 dan tegangan permukaan 1 N/m. Jika sudut kontaknya 60o  dan percepatan gravitasi g = 10 m/s2, maka hitunglah besarnya kenaikan permukaan air pada diding pipa kapiler tersebut.

Diketahui:

R = 1mm = 1 x 10-3 m

ρ = 1 g/cm3 = 100 kg/m3

γ = 1 N/m

θ= 600

g = 10 m/s2

ditanyakan h = …?

Jawab.

h =  (2 γ cosθ)/( ρ g R)

h =  (2 x cos 60)/(1000 x-10 x 10-3)

h = 1/10= 0,1 m = 10 cm

Jadi, permukaan air pada pipa kapiler naik setinggi 10 cm.

2). Contoh Soal Perhitungan Ketinggian Air Pada Pipa Kapiler

Berapa tinggi air yang naik dalam pipa kapiler yang jari-jarinya 0,3 mm jika sudut kontaknya nol.  Tegangan permukaan air γ adalah 0,073. Penyesuaian :

Diketahui :

r = 0,3 mm = 3 x 10-4 m

ρ =1.000 kg/m3

g = 10 m/s2

θ = 00

Rumus Menghitung Ketinggian Air Pada Pipa Kapiler

Tinggi air yang naik pada gejala kapilaritas dalam pipa dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

h = (2 γ cosθ)/( ρ g r)

h = (2 x 0,073 x cos 0)/(1000 x 10 x 3 x 10-4)

h = 4,87 cm

Jadi, tinggi air dalam pipa kapiler  adalah   4,87 cm

3).  Soal Gejala Kapilaritas Perhitungan Tinggi Air Raksa Pada Tabung        

Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan secara vertikal ke dalam air raksa, terbentuk sudut kontaknya 120°. Jika tegangan permukaan air raksa 0,44 N/m dan g = 10 m/s2, tentukanlah penurunan air raksa pada tabung tersebut

Diketahui:

r = 0,2 cm = 2 x 10-3 m

γ = 0,44 N/m

ρ =13.600 kg/m3

g = 10 m/s2

θ = 1200

Rumus Gejala Kapilaritas Menentukan Tinggi Air Raksa Tabung

Penurunan air raksa dalam tabung Ketika tabung dimasukkan ke dalam air raksa secara vertical dapat dirumuskan sebagai berikut:

h = (2 γ cosθ)/( ρ g r)

h = (2 x 0,44 x cos 120)/(13600 x 10 x 2 x 10-3)

h = – 1,617 x 10-3 m atau

h = – 1,62 mm

Jadi, penurunan air raksa dalam tabung adalah 1,62 mm

4). Contoh Soal Gejala Kapilaritas Menghitung Massa Jenis Minyak

Pipa kapiler yang berjari-jari 2 mm dimasukkan tegak lurus ke dalam minyak yang memiliki tegangan permukaan 0,023 N/m. Ternyata permukaan Minyak  dalam pipa naik 1,44 mm. Jika sudut kontak minyak 600 dan g =10 m/s2, hitunglah massa jenis minyak tersebut!:

Diketahui:

r = 2 mm = 2 x 10-3 m

θ = 600

γ = 0,023 N/m

g = 10 m/s2

h = 1,44 mm = 1,44 x 10-3 m

Rumus Perhitungan Gejala Kapilaritas Massa Jenis Minyak

Massa jenis minyak dalam pipa kapiler dapat dinyatakan dengan  menggunakan rumus berikut:

h = (2 γ cosθ)/( ρ g r) atau

ρ = (2 γ cosθ)/( h g r)

ρ = (2 x 0,023 x cos 60)/(1,44 x 10-3 x 10 x 2 x 10-3)

ρ = 799 kg/m3

Jadi Massa jenis minyak adalah 799 kg/m3

5). Soal Gejala Kapilaritas Perhitungan Tegangan Permukaan Zat Cair

Suatu tabung berdiameter 2 mm dimasukkan secara vertikal ke dalam zat cair bermasa jenis 13600 kg/m3 dan membentuk sudut kontak sebesar 120°. Jika penurunan zat cair dalam tabung 3,3 mm dan g = 10 m/s2, tentukanlah tegangan permukaan zat cair tersebut

Diketahui:

r = 1 mm = 1x 10-3 m

h = 3,3 mm = 3,3 x 10-3 m

γ = 0,44 N/m

ρ =13.600 kg/m3

g = 10 m/s2

θ = 1200

Rumus Gejala Kapilaritas Menentukan Tegangan Permukaan Zat Cair Tabung

Tegangan Permukaan zat cair dalam tabung Ketika tabung dimasukkan ke dalam zat cair  secara vertical dapat dirumuskan sebagai berikut:

h = (2 γ cosθ)/( ρ g r) atau

γ = (h ρ g r)/ (2 cos θ)

γ = (3,3 x 10-3 x 13600 x 10 x 10-3)/(2 x cos60)

γ = 0,449 N/m

Jadi, tegangan permuakaan zat cair adalah 0,449 N/m

6). Contoh Soal Perhitungan Tegangan Permukaan Zat Cair

Suatu kawat berbentuk U (terbalik) ditutup dengan kawat AB yang dapat bergerak bebas. Kemudian kawat U dimasukkan ke dalam larutan sabun. Kawat diangkat dari larutan sabun dan kawat setimbang setelah digantungkan beban seberat 2 x 10-3 N.

Panjang kawat AB = 34 mm dan berat kawat AB = 15 x 10-3 N, berapakah besar tegangan permukaan lapisan sabun tersebut

Tegangan Permukaan Gejala Kapilaritas: Pengertian Rumus Pipa Kapiler Kawat U Contoh Perhitungan Zat Cair Gaya Kohesi Adhesi,
Contoh Soal Perhitungan Tegangan Permukaan Zat Cair Kawat U

Diketahui:

WAB = berat kawat AB

WAB = 15 x 10-3 N

lAB = 34 mm = 0,034 m

Wb = berat beban b

Wb = 2 x 10-3 N = 2 x10-3 N

Rumus Menghitung Tegangan Permukaan Zat Cair

Menghitung Tegangan permukaan lapisan sabun pada kawat U dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

γ = F /2l

F = WAB + Wb

F= 15 x 10-3 + 2 x10-3

F = 17 x 10-3 N

γ = 17 x 10-3 /(2 x 0,034)

γ = 0,25 N/m

Jadi tegangan permukaan zat cair adalah 0,25 N/m

7). Contoh Soal Perhitungan Peristiwa Tegangan Permukaan Kawat U

Pada peristiwa tegangan permukaan pada kawat U, diketahui total gaya yang bekerja pada permukaan lapisan zat cair adalah 5 N, jika panjang penampang 25 cm, maka tentukan besar tegangan permukaannya

Diketahui:

l = 25 cm = 0,25 m

F = 4 N

Rumus Menghitung Tegangan Pemukaan Pada Kawat U

Besar tegangan permukaan zat cair dapat dirumuskan seperti berikut:

γ = F /2l

γ = 5/( 2 x 0,25)

γ = 10 N/m

Jadi Tegangan permukaan zat cair adalah 10 N/m

Daftar Pustaka:

  1. Sears, F.W – Zemarnsky, MW , 1963, “Fisika untuk Universitas”, Penerbit Bina Cipta, Bandung,
  2. Giancoli, Douglas C. 2000. Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics, Third Edition. New Jersey, Prentice Hall.
  3. Halliday, David, Robert Resnick, Jearl Walker. 2001. Fundamentals of Physics, Sixth Edition. New York, John Wiley & Sons.
  4. Tipler, Paul, 1998, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 1,Pernerbit Erlangga, alih bahasa: Prasetyo dan Rahmad W. Adi, Jakarta.
  5. Tipler, Paul, 2001, “Fisika untuk Sains dan Teknik”, Jilid 2, Penerbit Erlangga, alih bahasa: Bambang Soegijono, Jakarta.
  6. Ganijanti Aby Sarojo, 2002, “Seri Fisika Dasar Mekanika”, Salemba Teknika,
  7. Giancoli, Douglas, 2001, “Fisika Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta.