Massa Jenis Tegangan Permukaan dan Kapilaritas

7 BAB II DASAR TEORI

A. Massa Jenis

Massa jenis suatu fluida adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut, dilambang kan dengan huruf Yunani ρ rho dan dinyatakan sebagai massa fluida per satuan volume [Olson Wright, 1993]: ρ = 1 dimana: m: massa fluida V: volume fluida Massa jenis air pada suhu 277 K 4 C adalah 1000 kgm 3 [Giancoli, 2014].

B. Tegangan Permukaan dan Kapilaritas

Tegangan permukaan terjadi akibat perbedaan gaya tarik-menarik antara molekul-molekul zat cair dekat permukaan dan molekul-molekul yang terletak lebih jauh dari permukaan dalam zat cair yang sama. Kerja diperlukan untuk membawa molekul-molekul ke permukaan. Energi diperlukan untuk membentuk sebuah permukaan yang bebas. Energi per satuan luas permukaan ini disebut ko efisien tegangan permukaan γ [Olson Wright, 1993]: γ = 2 dengan W = energi A = luas permukaan Tegangan dalam zat cair dapat dihitung dengan menggunakan diagram bebas seperti pada gambar 2.1. Gaya yang timbul di sekeliling tepinya karena tegangan permukaan adalah: F = 2πR γ 3 dengan R: jari-jari butir tetesan air γ: tegangan permukaan dynecm Untuk suatu zat cair tertentu, tegangan permukaannya tergantung pada temperatur dan juga fluida lain yang bersentuhan di permukaan temu antarmuka [Munson, Young, Okiishi, 2003]. Gambar 2.1. Kenaikan cairan menggunakan tabung pipa kapiler Fenomena yang berkaitan dengan tegangan permukaan yaitu kenaikan atau penurunan dari zat cair di dalam sebuah tabung kapiler seperti pada gambar 2.1. Jika sebuah tabung kecil terbuka dimasukkan ke dalam air, permukaan air di dalam tabung akan naik di atas permukaan air di luar tabung. Pada peristiwa ini, terdapat gaya tarik adhesi antara dinding tabung dan molekul zat cair yang cukup kuat untuk mengatasi gaya tarik antar molekul kohesi dan menariknya ke arah dinding. Oleh karena itu, zat cair tersebut membasahi permukaan dinding. Molekul dinding tabung mengerahkan gaya ke atas pada molekul cairan. Permukaan cairan yang menyentuh dinding akan membentuk s udut θ terhadap dinding. Gaya ini mempunyai komponen ke atas sebesar F cos θ. Dengan demikian gaya yang ke atas diberikan persamaan: Ty = F cos θ = 2π R γ cos θ 4 Gaya tersebut menarik cairan di dalam tabung dengan ketinggian H dan berat sebesar: w = m g = ρVg = ρπR 2 Hg 5 Ketika dalam keadaan setimbang maka berlaku: w = Ty ρπR 2 Hg = 2π R γ cos θ sehingga kenaikan cairan di dalam tabung pipa kapiler diberikan dengan hubungan [Greenslade, 1992]: 6 dengan g: percepatan akibat gravitasi bumi 9,8 ms 2 θ: sudut kontak, karena sudutnya kecil maka nilainya nol H: kenaikan cairan Dari persamaan 6 terlihat jelas bahwa ketinggian berbanding terbalik dengan jari-jari tabung. Oleh karena itu kenaikan zat cair di dalam sebuah tabung sebagai akibat aksi kapiler semakin jelas terlihat apabila jari-jari tabung semakin kecil. Sudut kontak θ untuk air, udara, dan permukaan kaca yang bersih pada dasarnya nol. Apabila θ π2, zat cair disebut tidak membasahi permukaan nonwetting. Apabila θ π2, kenaikan kapiler akan terjadi. Apabila θ = π2, baik kenaikan maupun penurunan tidak akan dialami oleh zat cair dalam tabung. Bilamana θ π2 zat cair dalam tabung akan mengalami penurunan. Untuk menerapkan persamaan 6 berlaku bila diameter pipa relatif kecil. Dengan bertambahnya diameter pipa, jari-jari lengkung akan semakin besar dan kenaikan kapiler berkurang. Kenaikan kapiler tidak mungkin dihitung secara langsung. Jika diameter tabung mendekati 1 cm, kenaikan kapiler air dapat diabaikan. Kenaikan cairan menggunakan tabung juga terjadi pada cairan yang diberikan pada sepasang apitan kaca. Apitan kaca terbuat dari dua lembar pelat kaca berbentuk persegi panjang yang berukuran sama. Kaca dipasang berimpit dan pada salah satu sisinya dijepit menggunakan penjepit. Pada sisi yang lain diberi beberapa potongan mika. Mika ini berfungsi sebagai jarak pemisah antara pelat, sehingga terdapat rongga diantara apitan. Apabila dilihat dari atas maka rongga yang terbentuk oleh apitan kaca tampak seperti segitiga sama kaki, ditunjukkan pada gambar 2.2. Gambar 2.2 Diagram sudut apitan kaca dari atas skala tidak proporsional Jarak pemisah pelat berubah seiring bertambahnya nilai . adalah jarak horisontal diukur dari titik dimana dua pelat kaca bertemu. Jarak pemisah pelat dapat dihitung dengan persamaan berikut [Piva, 2009]: 7 dimana L: panjang apitan sampai ujung tepi mika tebal total jumlah mika jarak horisontal diukur dari titik dimana dua pelat bertemu Apitan kaca diletakkan tegak lurus terhadap bidang alasnya. Apitan kaca yang digunakan dalam eksperimen setara dengan tabung pipa kapiler yang disusun berdampingan. Sehingga persamaan 7 dapat disubstitusikan ke dalam persamaan 6 seperti berikut. 8 Persamaan 8 dapat dituliskan sebagai berikut: 9 Dari persamaan tersebut diketahui bahwa kenaikan cairan pada suatu titik tertentu yang berjarak dari titik bertemunya kedua kaca berbanding terbalik. Semakin kecil nilai maka kenaikan cairan semakin tinggi dan curam. Pada nilai tertentu tinggi cairan berada pada titik tertinggi. Semakin besar nilai , cairan akan turun dan landai. Cairan akan terus turun dan pada nilai tertentu cairan akan konstan. Gambar 2.3 a Apitan kaca dari depan b Kenaikan cairan menggunakan apitan kaca tampak dari samping Kontak sudut θ antara permukaan cairan dengan dinding pelat yang terbentuk sangat kecil. Sehingga nilainya dianggap nol dan cos θ bernilai satu. Maka persamaan 9 dituliskan sebagai berikut: 10 14 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini bertujuan untuk menentukan nilai tegangan permukaan cairan menggunakan apitan kaca. Kaca yang digunakan berukuran 15 x 30 cm dengan ketebalan setiap kaca 5 mm. Apitan kaca diletakkan dengan posisi berdiri tegak lurus terhadap bidang alasnya. Pada salah satu sisi tepi apitan kaca diberikan 6 potong plastik mika berukuran 1 x 30 cm dengan ketebalan 0,42 mm. Setiap sisi tepi apitan kaca dijepit menggunakan “klip binder”. Jarak antar penjepit adalah 6 cm. Secara umum penelitian ini dibagi ke dalam 3 tahapan, yaitu: tahapan pertama menyiapkan alat-alat yang digunakan, tahap kedua menentukan massa jenis cairan, kemudian tahap ketiga adalah mengukur tegangan permukaan cairan.

A. Persiapan Alat