Tegangan Permukaan

B. Tegangan Permukaan

Pernahkah kalian mengamati mengapa jarum dan serangga dapat mengapung pada permukaan air. Pada pagi hari amati permukaan daun, kalian akan melihat butiran- butiran air di atasnya. Pernahkah kalian meneteskan air dari pipet secara perlahan-lahan? Bagaimana bentuk tetesan air?

Gejala-gejala di atas dapat dijelaskan dengan apa yang disebut tegangan permukaan. Tinjaulah sebuah molekul cairan yang berada di permukaan cairan dan sebuah molekul yang berada di

B dalam cairan.

Molekul yang berada di dalam cairan dikelilingi oleh molekul-molekul

A yang lain, di atasnya, di bawahnya, dan di sampingnya. Sedangkan molekul yang di permukaan hanya dikelilingi

Gambar 17.14 Molekul di permukaan (B) hanya partikel yang di samping dan di mendapat tarikan dari molekul di bawahnya dan kiri

kanan molekul. Molekul di dalam cairan (A) mendapat bawahnya. Molekul dalam cairan akan tarikan dari molekul di atasnya,di bawahnya dan di mendapat tarikan dari molekul di kiri-kanannya.

sekelilingnya ke segala arah sehingga

Fisika SMA/MA XI Fisika SMA/MA XI

F=T+W

menariknya ke atas. Gaya tarik antar- molekul tadi membuat permukaan cairan seperti selaput yang elastis.

Gambar 7.15 Sebuah kawat berbentuk U,di kaki- kakinya terdapat kawat kedua yang bebas bergerak

Lihatlah Gambar (7.15), seutas yang panjangnya l. Setelah dimasukkan sabun, kawat kawat dibelokkan sehingga berbentuk kedua akan bergerak keatas. Agar kawat tidak bergerak U, kemudian kawat kedua dikaitkan

ke atas kita harus mengerahkan gaya sedemikian sehingga gaya kita ditambah gaya gravitasi sama sedemikian sehingga dapat meluncur dengan gaya karena tegangan permukaan.

pada kaki-kaki kawat U. Jika kawat U ini dicelupkan dalam larutan sabun

kemudian diangkat, kawat kedua akan tertarik ke atas. Agar kawat ini tidak terus bergerak ke atas, kita harus mengerahkan gaya pada kawat dengan arah ke bawah yang besarnya sama dengan gaya ke atas. Misalkan, gaya yang kita kerahkan adalah T, maka besar gaya ke bawah adalah gaya T ditambah berat kawat, W. Sehingga resultan gaya pada kawat dapat kita tuliskan:

F = T + W .... (20)

F adalah gaya yang menyebabkan kawat kedua naik ke atas. Gaya ini adalah gaya tegangan permukaan. Misalkan, panjang kawat kedua adalah l, larutan sabun yang mengenai kawat kedua memiliki dua permukaan sehingga gaya permukaan bekerja sepanjang 2l. Gaya F yang bekerja pada kawat sebanding dengan panjang permukaan. Kita bisa menuliskannya sebagai:

F=

J adalah koefisien tegangan permukaan, d adalah panjang permukaan, F adalah gaya tegangan permukaan. Pada contoh ini panjang permukaan adalah 2l sehingga kita bisa menuliskan:

Fisika SMA/MA XI

Tegangan permukaan inilah yang menyebabkan tetes-tetes cairan cen- derung berbentuk bola. Saat tetesan terbentuk, tegangan permukaan ber- usaha meminimalkan luas permukaan- nya sehingga permukaannya tertarik dan membentuk bola. Tegangan permukaan ini juga yang menyebabkan serangga dan benda-benda ringan tidak tenggelam, titik-titik air di daun cenderung untuk membulat, dan daun teratai dapat

Sumber : internet.http. static.flickr.com Gambar 7.16 Titik-titik air di atas daun

terapung di permukaan air danau.

1. Kapilaritas

Sekarang kita meninjau pengaruh tegangan permukaan pada pipa kapiler. Bila gaya tarik menarik antara molekul yang sejenis disebut kohesi, maka gaya tarik antara molekul yang tidak sejenis disebut adesi. Salah satu contoh adesi adalah gaya tarik antara cairan dengan dinding pipa kapiler.Pada pipa kapiler terdapat gaya kohesi yaitu antarmolekul cairan yang membentuk tegangan permukaan dan gaya adesi antara cairan dengan dinding pipa.

Bila gaya kohesi cairan lebih besar dari adesi maka cairan tidak akan membasahi dinding cairannya. Mari kita tinjau arah resultan gaya seperti yang ditunjukkan Gambar (7.17a). Gaya kohesi lebih besar dari adesi sehingga resultan gaya mengarah ke dalam cairan. Permukaan akan melengkung ke bawah. Kelengkungan permukaan zat cair kita namakan meniskus. Permukaan air dalam tabung kita sebut meniskus cembung.

Gambar 7.17 Kelengkungan dan arah gaya pada tabung dengan (a). Kohesi cairan lebih besar dari adesi, terbentuk kelengkungan cembung (b). Kohesi cairan lebih kecil dari adesi,terbentuk kelengkungan cekung.

Fisika SMA/MA XI

Bila gaya adesi lebih besar dari gaya kohesi maka resultan gaya akan mengarah ke tabung sehingga membentuk kelengkungan ke bawah atau terjadi meniskus cekung dan cairan membasahi dinding tabung. Hal ini bisa dilihat pada Gambar (7.17a).

2. Sudut kontak

Bila kita tarik garis lurus pada

kelengkungan zat cair, maka garis ini akan membentuk sudut terhadap

dinding vertikal. Sudut ini dinamakan sudut kontak. Untuk pipa kapiler yang berisi zat cair yang permukaannya cekung misalnya air, maka sudut kontak berupa sudut lancip (kurang dari 90°). Sedangkan cairan yang memiliki permukaan cembung, misalnya air

Gambar 7.18 (a) cairan pada pipa kapiler yang memiliki raksa membentuk sudut tumpul gaya adesi lebih besar dari kohesi membentuk (90° < T < 180°). Hal ini dapat dilihat kelengkungan cekung dan sudut kontak yang terbentuk berupa sudut lancip. (b) cairan yang memiliki pada Gambar (7.18). gaya kohesi lebih besar dari adesi membentuk

Bagaimana dengan tegangan per- kelengkungan cembung dan sudut kontaknya berupa mukaannya? Tinjau jika sudut kontak- sudut tumpul.

nya lebih kecil dari 90, maka kita bisa melihat gaya tegangan permukaan

untuk zat cair yang adesinya lebih besar dari kohesinya memiliki komponen

yang arahnya ke atas sehingga cairan akan naik ke atas. Cairan akan berhenti

h naik bila besarnya gaya tegangan permukaan sudah dapat diimbangi oleh

berat zat cair yang naik ke atas. Saat cairan berhenti naik maka resultan gayanya:

Gambar 7.19 Adesi air lebih besar dari kohesi,

g -F F t = 0 .... (23)

komponen vertikal gaya tegangan permukaan menyebabkan air naik dalam pipa kapiler. Air akan berhenti naik bila tegangan permukaan dapat diimbangi berat air yang naik.

F g adalah berat zat cair yang naik

F g = mg = UVg = UAhg. A adalah luas penampang tabung = 2 Sr , h adalah tinggi kolom zat cair. F

adalah komponen tegangan permukaan ke arah atas. Besarnya gaya tegangan permukaan adalah keliling tabung dikalikan koefisien tegangan permukaan cairan.

Fisika SMA/MA XI

sehingga persamaan (23) dapat kita tuliskan menjadi:

Contoh Soal 9

Berapa tinggi air yang naik dalam pipa yang jari-jarinya 0,15 mm jika sudut kontaknya nol? J untuk air adalah 0,073.

Penyesuaian : Diketahui :

r = 0,15 mm = 1,5 3 u 10 m, U =1.000 kg/m Jawab :

Ketinggian air h adalah:

= 9,93 -2 u 10 m = 9,93 cm Jadi, tinggi air dalam pipa =9,93 cm

Contoh Soal 10

Tegangan permukaan air raksa adalah 0,465 N/m. Sudut kontak air raksa dengan pipa kapiler berjari-jari 2,5 mm pada mangkuk sebesar 150°. Berapa ketinggian air raksa relatif terhadap permukaan air raksa dalam mangkuk?

Penyelesaian : Diketahui : r = 2,5 mm, J = 0,465 N/m, T = 150,

Fisika SMA/MA XI

Jawab :

Jadi, ketinggian air raksa negatif, atau ketinggian air raksa dalam pipa kapiler di bawah permukaan air raksa di mangkuk.

Keingintahuan : Rasa Ingin Tahu

Kalian pasti sering melihat tembok yang basah karena menyerap air yang ada di fondasi bangunan. Tembok jadi kotor. Hal ini karena adanya gaya kapiler. Apakah gaya kapiler bisa dimanfaatkan untuk kehidupan manusia? Jika ya, berilah contohnya!