Dasar Teori dan Contoh Pengukuran Tegangan Permukaan

Dasar Teori Pengukuran Tegangan Permukaan

Tegangan Muka Tegangan muka ialah suatu sifat istimewa yang dialami suatu zat dalam fase cair. Pada fasa cair, semua molekul cairan dikelilingi oleh molekul – molekul cairan yang lain dengan gaya tarik menarik intermolekuler ke segala arah dan gaya tersebut saling menghilangkan.

Akan tetapi kondisi pada permukaan cairan menjadi lain karena ada bagian yang tidak dikelilingi oleh cairan itu sendiri. Kondisi ini mengakibatkan adanya gaya resultan yang mengarah ke dalam cairan yang menimbulkan sifat kecenderungan untuk memperkecil luas permukaan. Karena gaya yang tidak seimbang pada permukaan cairan, zat cair berusaha mendapat luas permukaan minimum.

Hal ini juga yang menyebabkan tetesan zat cair serta gelembung zat padat berbentuk bulat, kenaikan cairan dalam pipa kapiler dan gerakan air di dalam tanah. Adanya kecenderungan permukaan untuk memperkecil luasnya sehingga diperlukan usaha untuk melawan gaya tariknya. Tegangan muka merupakan usaha untuk memperluas permukaan zat cair sepanjang 1 cm.

Tegangan muka juga bisa didefinisikan sebagai gaya yang dibutuhkan untuk memperkecil luas permukaan, untuk tiap satuan lebar permukaan. Satuan yang dipakai dalam perhitungan tegangan muka adalah dyne/cm.

Terdapat beberapa metode penentuan tegangan muka yang banyak digunakan dan semuanya berdasar fenomena yang berkaitan dengan tegangan muka, antara lain :

1. Tekanan maksimum gelembung.
2. Kenaikan pipa kapiler
3. Tetes
4. Cincin Dalam percobaan kali ini hanya akan menggunakan dan membahas dua metode yang pertama, yakni metode tekanan maksimum gelembung dan kenaikan pipa kapiler.

1. Metode Tekanan Maksimum Gelembung

Bagian penting dari metode ini adalah penentuan maksimum gelembung yang bisa diketahui dengan keluarnya gelembung udara pada ujung pipa yang dicelupkan ke dalam cairan. Karena kenaikan tekanan udara yang sedikit, maka gelembung akan pecah dengan jari – jari mulut pipa.

Apabila jari – jari gelembung sama dengan jari – jari mulut pipa akibatnya tekanan udara dalam pipa akan mencapai maksimum.

Dengan menyamakan tekanan – tekanan yang bekerja pada bejana dan manometer dalam keadaan seimbang, harga tegangan muka dapat ditentukan. Pada metode tekanan maksimum gelembung perlu juga diperhatikan syarat dari cairan pengisi manometer, syarat cairan pengisi manometer yaitu cairan pengisi buret dan manometer tidak berbeda karakteristik serta bebas dari pengotor.

Tekanan pada permukaan gelembung dalam keadaan seimbang akan 𝜌𝜌1 = 𝜌𝜌2 memiliki hubungan : 𝜌𝜌1 𝑔𝑔ℎ1 + 𝜌𝜌 𝐵𝐵 = 𝜌𝜌2 𝑔𝑔ℎ2 + 𝜌𝜌 𝐵𝐵 𝐻𝐻 = 𝑔𝑔𝑔𝑔(𝜌𝜌1 ℎ1 − 𝜌𝜌1 ℎ2 ) 1 2 𝐻𝐻 = koefisien tegangan muka (dyne/cm) Dengan : 𝑟𝑟̅ = jari – jari gelembung dalam pipa kapiler (cm) g = gravitasi bumi = 981 cm/s2 𝜌𝜌 1 = massa jenis zat cair dalam manometer (g/mL) 𝜌𝜌 2 = massa jenis aquadest dalam bejana (g/ml) ℎ1 = selisih tinggi permukaan cairan dalam manometer (cm) R ℎ2 = selisih tinggi permukaan zat cair dengan ujung gelembung udara R dalam pipa (cm)

a.Tekanan hodrostatis = 𝜌𝜌1 𝑔𝑔ℎ1

b. Tekanan barometer = 𝜌𝜌 𝐵𝐵 Dari persamaan diatas dapat diuraikan gaya – gaya yang bekerja.

c. Tekanan hidrostatis dari bawah = 𝜌𝜌2 𝑔𝑔ℎ2 d. Tekanan karena tegangan muka = ∆P = 2𝐻𝐻/𝑟𝑟2.

2. Metode Kenaikan Pipa Kapiler

Metode kenaikan pipa kapiler Ketika pipa kapiler ujungnya dicelupkan dalam zat cair yang membasahi dinding, maka zat cair akan naik setinggi h.

Saat setimbang, gaya ke atas akan sama dengan gaya ke bawah, sedang untuk gaya ke samping akan saling meniadakan.

Kenaikan cairan dalam pipa kapiler akan berhenti setelah cairan mencapai h karena gaya F 1 akan diimbangi oleh gaya F 2 . Gaya F 2 ini ditimbulkan oleh berat cairan atau gaya berat zat cair yang naik. Kita dapat menjabarkan gaya – gaya yang bekerja dalam pipa kapiler : F 1 (gaya ke atas) = 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋 cos 𝜃𝜃 F 2 (gaya ke bawah) = 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋ℎ

3. Metode Tetes

Pada keadaan setimbang : 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋 cos 𝜃𝜃 = 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋ℎ F1 = F2 𝐻𝐻 = 𝜌𝜌𝜌𝜌 ℎ𝑟𝑟 2 cos 𝜃𝜃 Bila zat cair yang digunakan adalah air, maka cos 𝜃𝜃 dianggap 0˚ sehingga nilai cos 𝜃𝜃 = 1Faktor – faktor yang mempengaruhi tegangan muka zat cair :

1. Temperatur cairan
2. Rapat massa cairan
3. Berat molekul zat cair
4. Ada tidaknya pelarut atau surfaktan
5. Gaya adhesi dan kohesi

a. Kohesi Merupakan gaya tarik menarik antar molekul sejenis dan biasanya terjadi bila tegangan permukaan pada zat padat – gas lebih kecil dari tegangan permukaan lapisan zat padat – cair dengan sudut kontak 90˚ - 180˚. Contoh : air dalam gelas parafin. (Sears, 1974) 

b. Adhesi Merupakan gaya tarik menarik molekul yang tidak sejenis dan biasanya terjadi bila tegangan permukaan pada lapisan zat padat – gas lebih besar dari tegangan permukaan dari lapisan zat padat – cair dengan sudut kontak 0 - 90˚.

Contoh : methylin iodida dalam gelas timah ˚ hitam. (Sears, 1974)Tegangan muka juga berperan dalam kehidupan sehari-hari dan kehidupanindustri.Kegunaan dalam kehidupan sehari – hari antara lain :

1. Transportasi air dari tanah ke daun Dengan adanya tegangan muka, maka air dari tanah dapat bergerak naik ke daun menggunakan prinsip kapilaritas zat cair.

2. Pembentukan tetesan air.

3. Meresapnya air ke dalam dinding batu bataKegunaan dalam industri antara lain :

a. Pada proses Enhanced Oil Recovery (EOR), penambahan surfaktan pada minyak bumi akan menurunkan tegangan muka minyak, sehingga minyak lebih mudah diambil.

b. Mencegah timbulnya vorteks pada tangki berpengaduk.

Vorteks timbul akibat tegangan muka tinggi. Terbentuknya vorteks dapat mengakibatkan cairan keluar dari tangki. Vorteks dapat dicegah dengan cara menambahkan surfaktan.

c. Alat semprot obat nyamuk menggunakan prinsip tegangan muka dalam menyemprotkan cairan.

Kekentalan Zat Cair Viskositas merupakan indeks hambatan alir. Kekentalan ini disebabkan oleh gesekan dakhil antara lapisan suatu cairan atau gas yang bergerak terhadap sesamanya pada aliran zat alir itu. Kekentalan dapat

4. Cincin Dalam

Diukur dengan mengukur laju aliran cairan yang melalui tabung berbentuk silinder. Sedangkan alat standar yang biasa digunakan viskosimeter Ostwald yang bekerja berdasarkan hukum Poiseulle.

Untuk aliran zat cair yang laminer dalam suatu tabung, Poiseulle 𝑉𝑉 𝜋𝜋𝜋𝜋𝑟𝑟 4 menemukan persamaan berikut : = 𝑡𝑡 8𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋ℎ𝑟𝑟 4 𝑡𝑡 𝜂𝜂 = 𝑉𝑉8𝐿𝐿 Pengukuran kekentalan zat cair dengan menggunakan persamaan diatas sukar dicapai.

Hal ini disebabkan nilai r dan L sukar ditentukan secara tepat. Untuk itu digunakan suatu cairan pembanding yaitu aquadest. 𝜂𝜂 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑟𝑟 = = 𝜂𝜂 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝜌𝜌𝑟𝑟 4 𝑡𝑡 𝜂𝜂 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜌𝜌 0 𝑟𝑟0 𝑡𝑡 0 4 Dengan : V= volume zat yang mengalir (cm3) 𝜂𝜂 = viskositas (Pa.s) 𝜌𝜌0 = rapat massa zat pembanding (g/cm3) t = waktu alir zat sampel (s) 𝜌𝜌 = rapat massa zat sampel (g/cm3) 𝑟𝑟0 = jari – jari kapiler viskosimeter untuk zat pembanding (cm) 𝑟𝑟 = jari – jari kapiler viskosimeter untuk zat sampel (cm) 𝑡𝑡0 = waktu alir zat pembanding (s)𝜂𝜂 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑟𝑟 𝑟𝑟 = viskositas hasil pembandingan Faktor – faktor yang mempengaruhi kekentalan zat cair antara lain :

1. Rapat massa cairan
2. Temperatur cairan
3. Gaya kohesi antar molekul Kegunaan viskositas dalam kehidupan sehari – hari maupun industri adalah :

a. Memperkirakan waktu alir minyak, sehingga dapat mendesain panjang tangki minyak optimum yang akan dialiri oleh suatu zat cair.

b. Pasta gigi dibuat dalam bentuk pasta agar viskositasnya lebih besar daripada dalam bentuk cair, sehingga saat digunakan tidak berceceran.

c. Pemanfaatan dalam bidang industri adalah digunakan pipa untuk transportasi fluida dari satu tempat ke tempat lainnya.

Untuk mengalirkan fluida dalam suatu pipa harus disesuaikan dengan jenis fluidanya, dengan kekentalan dan jenis pipa apa yang cocok agar tidak terjadi kesalahan pada pelaksanaannya. Misalnya terjadi pipa rusak atau bocor.

Selain itu, dengan mengetahui viskositas suatu fluida, kita dapat menentukan jenis pompa apa yang harus dipakai dalam pemompaan, contoh : fluida berviskositas besar tidak cocok dengan recipocating pump.

Alat lain yang digunakan dalam mengukur viskositas fluida, antara lain :

1. Viskosimeter yang berupa rational instrumental.
2. Vibrational Viskosimeter.

Share this post

Berlangganan update artikel terbaru via email: