TEGANGAN PERMUKAAN DAN VISKOSITAS ZAT CAIR

2. Ukur lebar salah satu dinding dan ketinggian air diukur dari dasar bak. 3. Tentukan besar gaya yang harus ditahan oleh dinding bak mandi tersebut. Gunakan massa jenis air 1 grcm 3 dan persamaan 8.6. 4. Tentukan besar torsi terhadap dasar dinding oleh gaya yang diberikan oleh air tersebut mengggunakan persamaan 8.7. Tugas 4. Berapakah besar gaya dan torsi pada dinding bendungan dengan lebar 100 m dengan letinggian air 20 m?

B. TEGANGAN PERMUKAAN DAN VISKOSITAS ZAT CAIR

B.1. Tegangan Permukaan Zat Cair dan Kapilaritas. Sering terlihat peristiwa-peristiwa alam yang tidak diperhatikan dengan teliti misalnya tetes-tetes zat cair pada pipa kran yang bukan sebagai suatu aliran, mainan gelembung-gelembung sabun, pisau silet yang diletakkan perlahan-lahan di atas permukaan air yang terapung, naiknya air pada pipa kapiler. Hal tersebut dapat terjadi karena adanya gaya-gaya yang bekerja pada permukaan zat cair atau pada batas antara zat cair dengan benda lain. Fenomena itu dikenal dengan tegangan permukaan. Peristiwa adanya tegangan permukaan bisa pula ditunjukkan pada percobaan sebagai berikut jika cincin kawat yang diberi benang seperti pada Gambar 8.5a dicelupkan kedalam larutan air sabun, kemudian dikeluarkan akan terjadi selaput sabun dan benang dapat bergerak bebas. Jika selaput sabun yang ada diantara benang dipecahkan, maka benang akan terentang membentuk suatu lingkaran. Jelas bahwa pada benang sekarang bekerja gaya-gaya keluar pada arah radial Gambar 8.5b, gaya per dimensi panjang inilah yang dikenal dengan tegangan permukaan. Di unduh dari : Bukupaket.com Gambar 8.5 Tegangan permukaan Pengamatan lain bisa dilakukan seperti pada Gambar 8.6. Kawat yang berbentuk U dan sepotong kawat lurus lain dipasang dapat bergerak bebas pada kaki kawat. Bila kawat tersebut dicelupkan pada larutan sabun, maka kawat lurus akan tertarik keatas. Untuk mebuat ia setimbang maka harus diberi gaya W 2 sehingga dalam keadaan keseimbangan gaya tarik ke atas F = W 1 + W 2 . Gambar 8.6 Kawat berat W 1 diberi beban W 2 pada sistem tegangan permukaan oleh lapisan larutan sabun Bila panjang kawat lurus adalah L, dan karena selaput air sabun mempunyai dua permukaan, maka panjang total kontak dari permukaan selaput air sabun dengan kawat adalah 2L. Dari sini didefinisikan tegangan permukaan Ȗ adalah hasil bagi gaya permukaan terhadap panjang permukaan dan secara matematis diformulasikan : L F 2 J 8.9 Satuan tegangan permukaan dinyatakan dalam dynecm CGS atau Newtonmeter MKS. Uraian di atas hanyalah membahas gaya permukaan zat cair, yaitu yang terjadi pada lapisan molekul zat cair, yang berbatasan dengan udara. Gambar 8.7 Selaput permukaan padat, cair uap dan cair Di unduh dari : Bukupaket.com Disamping itu masih ada batas-batas lain yaitu antara zat padat dengan uap. Ketiga perbatasan dan selaput yang ada dilukiskan pada Gambar 8.7, yang mempunyai ketebalan beberapa molekul saja. Ȗ pc : tegangan permukaan dari selaput padat – cair Ȗ pu : tegangan permukaan dari selaput padat – uap Ȗ cu : tegangan permukaan dari selaput cair – uap Tabel 8.1. Tegangan permukaan beberapa zat cair Zat cair yang kontak dengan udara Temperatur o C Tegangan permukaan .10 - 3 Nm Air Air Air Aseton Etil alkohol Gliserin Air raksa 25 80 20 20 20 20 75,6 72,0 62,6 23,7 22,8 63,4 435 Fenomena fisis yang sering ditemui dimana salah satu faktor yang mempengaruhi terjadinya berupa tegangan permukaan adalah gejala kapilaritas . Kapilaritas adalah gejala fisis berupa naik turunnya zat cair dalam media kapiler saluran dengan diameter kecil. Besaran lain yang menentukan naik turunnya zat cair pada dinding suatu pipa kapiler selain tegangan permukaan, disebut sudut kontak ș yaitu sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dinding dengan dinding, lihat Gambar 8.8. Sudut kontak timbul akibat gaya tarik menarik antara zat yang sama gaya kohesi dan gaya tarik menarik antara molekul zat yang berbeda adhesi. Harga dari sudut kontak berubah-ubah dari 0 sampai 180 dan dibagi menjadi 2 bagian yaitu: ‰ Bagian pertama bila 0 ș 90 maka zat cair dikatakan membasahi dinding. ‰ Bila 90 ș 180 zat cair dikatakan tak membasahi dinding. Di unduh dari : Bukupaket.com Gambar 8.8 Sudut kontak pada pipa kapiler Jika tabung berjari-jari R maka zat cair akan bersentuhan dengan tabung sepanjang 2 ʌ R. Jika dipandang zat cair dalam silinder kapiler dengan tinggi y dan jari-jari R dan tegangan permukaan cair uap dari zat cair Ȗ cu , maka gaya k eatas total adalah : F = 2 ʌ R Ȗ cu cos ș 8.10 Gaya ke bawah adalah gaya berat zat cair yang harganya : W = ʌ R 2 y ȡ g 8.11 dengan ȡ : rapat massa zat cair, kgm 3 g : percepatan gravitasi, ms 2 Dari syarat kesetimbangan diperoleh : W = F ʌ R 2 y ȡ g = 2ʌ R Ȗ cu cos ș 8.12 atau y = g R cos 2 cu U T J dari persamaan 8.12 terlihat bahwa harga-harga Ȗ cu , R, ȡ dan g selalu berharga positip. Sedangkan cos ș bisa mengahasilkan harga positip maupun negatip. Untuk 0 ș 90, maka harga cos ș positip, sehingga diperoleh y yang positip. Zat cair yang demikian dikatakan membasahi dinding . Contohnya air dalam pipa kapiler gelas. Untuk 90 ș 180, maka harga cos ș negatip, sehingga diperoleh y yang negatip zat cair Di unduh dari : Bukupaket.com yang demikian dikatakan tak membasahi dinding. Contohnya air raksa dalam pipa kapiler gelas. Contoh soal 8.6. Seorang siswa memasukkan pipa kapiler yang jari-jarinya 1 mm kedalam cair yang massa jenisnya 0,8 grcm 3 . Ternyata sudut kontaknya 60 dan cairan naik setinggi 40 mm dari permukaan cairan di luar kepiler. Apabila percepatan gravitasi bumi 10 ms 2 berapa besar tegangan permukaan zat cair tersebut. Penyelesaian : Dengan menggunakan persamaan 8.12 tegangan permukaan dapat dihitung: m N m m kg s m m y p g R 10 . 32 60 cos . 2 10 . 4 . 800 . 10 . 10 cos 2 . . . 2 2 3 2 3 T J C. FLUIDA DINAMIS C.1. Aliran Fluida