TEGANGAN PERMUKAAN MATERI POKOK

Transkripsi

1 MATERI POKOK 1. Pengertian tegangan permukaan 2. Penyebab tegangan permukaan 3. Metode pengukuran tegangan permukaan 4. Menghitung tegangan permukaan 5. Tegangan di dalam sebuah gelembung 6. Tekanan di dalam suatu tetes air 7. Aplikasi/ fenomena tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari TUJUAN PEMBELAJARAN 1. Menjelaskan konsep tegangan permukaan 2. Menjelaskan penyebab tegangan permukaan 3. Menjelaskan metode pengukuran tegangan permukaan 4. Menemukan persamaan konsep tegangan pemukaan 5. Menjelaskan konsep tegangan permukaan di dalam sebuah gelembung 6. Menjelaskan konsep tekanan di dalam suatu tetes air 7. Merangkum dan menjelaskan aplikasi/ fenomena tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari KATA KUNCI 1. Air 2. Gaya 3. Gelembung 4. Jari-jari 5. Panjang 6. Silet 7. Tekanan 8. Tekanan atmosfer 9. Tetes air PENGANTAR Pernahkah Anda melihat seekor nyamuk berdiri di atas genagan air? Mengapa nyamuk itu bisa berdiri di atas air? Atau pernahkah Anda melihat silet yang mengapung di atas permukaan air? Bukankah ini sudah bertentangan dengan hukum Archimedes

2 bahwa benda yang massa jenisnya lebih besar akan tenggelam jika dimasukkan ke dalam fluida yang massa jenisnya lebih kecil. Pernahkah Anda melihat tetes air yang jatuh pada permukaan kaca membentuk suatu bulatan, sedangkan satu tetes alkohol yang jatuh pada permukaan kaca cenderung melebur? Mengapa hal ini bisa terjadi? Pertanyaan-pertnyaan di atas akan dijawab pada materi ini. Pada materi ini, juga akan dibahas mengenai konsep tegangan permukaan, tegangan di dalam sebuah gelembung serta tekanan di dalam suatu tetes air. Selain itu, juga akan dibahas tentang aplikasi atau peristiwa di dalam kehidupans sehari-hari yang berkaitan dengan tegangan permukaan. MATERI 1. Apa itu tegangan permukaan? Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh seatu lapisan elastis. Lapisan ini cenderung menyusut sekuat mungkin. Oleh karena itu, sejumlah tertentu cairan mengambil bentuk dengan permukaan sesempit mungkin. Ketika mencuci dengan menggunakan air panas, akan di dapatkan hasil yang lebih bersih jika dibandingkan dengan mencuci dengan menggunakan air biasa. Hal ini terjadi karena air panas memiliki tegangan permukaan yang lebih kecil daripada air biasa. Artinya, semakin kecil tegangan permukaan air, maka semakin tinggi kemampuan air tersebut untuk membasahi. 2. Apakah penyebab terjadinya tegangan permukaan? Tegangan permukaan zat cair ini tejadi karena adanya tarikan antara molekulmolekul zat cair oleh gaya kohesi (gaya tarik menarik antara partikel/molekul sejenis). Molekul-molekul cairan memberikan gaya tarik satu dengan lainnya. Pada daerah sekitar permukaan zat cair, gaya tariknya ke bawah akan semakin besar karena banyak molekul-molukul yang menariknya jika dibandingkan dengan tempat-tempat lain, misalnya dibagian dasar. Karena itu, tarikan molekul-molekul inilah yang menyebabkan tegangan permukaan itu terjadi. Di dalam volume cairan terdapat gaya total = nol. Tetapi molekul pada permukaan di tarik ke dalam volume, sehingga cairan cenderung memperkecil luas permukaannya, hanya dengan meregang lapisan. Oleh sebab itu, air hujan jatuh bebas berbentuk bola kecil.

3 3. Bagaimanakah metode pengukuran tegangan permukaan? Metode pengukuran tegangan permukaan atau tegangan antar muka dapat dilakukan dengan dua cara tergantung mana yang mau diukur. Metode yang pertama yaitu metode kenaikan kapiler yang hanya dapat digunakan untuk mengukur tegangan permukaan tidak bisa untuk mengukur tegangan antar muka. Metode yang kedua yaitu metode tersiometer Du-Nouy bisa digunakan untuk mengukur tegangan permukaan ataupun tegangan antar muka. Prinsip dari alat ini adalah gaya yang diperlukan untuk melepaskan suatu cincin platina iridium yang dicelupkan pada permukaan sebanding dengan tegangan permukaan atau tegangan antar muka dari cairan tersebut 4. Bagaimanakah menghitung tegangan permukaan? Tegangan permukaan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan dengan panjang pemukaan dimana gaya itu bekerja. Secara matematis, dapat dituliskan sebagai berikut. F ---(1) d Karena benda memiliki dua sisi permukaan, dengan demikian d = 2l, sehingga tegangan permukaan dinyatakan dengan persamaan: Keterangan: F ---(2) 2l tegangan pemukaan (N/m) F gaya yang bekerja pada permukaan (N) l panjang permukaan tempat gaya bekerja (m) Satuan SI utuk tegangan permukaan adalah N.m Bagaimanakah tegangan permukaan di dalam sebuah gelembung? Tegangan permukaan menyebabkan perbedaan tekanan antara bagian dalam dan luar selubung sabun atau tetesan air. Gelembung sabun terdiri atas dua selaput dengan permukaan berbentuk bola, dengan lapisan cairan tipis di antaranya. Akibatnya selaput cenderung melakukan kontraksi, berusaha untuk memperkecil luas permukaannya. Saat berkontraksi udara di dalamnya akan tertekan menyebabkan tekanan di dalam naik sampai tidak terjadi kontraksi.

4 Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar ilustrasi berikut. Jadi, (2 ) (2 R) = (p)( R 2 ) atau 4 p ---(2) R Jika tekanan udara luar adalah p0, maka persamaan (2) di atas menjadi: Keterangan: 4 p ---(3) R p 0 p tekanan udara dalam gelembung (Pa) p0 tekanan atmosfer (Pa) tegangan pemukaan (N/m) R jari-jari gelembung (m) 6. Bagaimanakah tekanan di dalam suatu tetes air? Pada tetes air hanya memiliki satu permukaan tipis (bagian luar), maka gaya tegangan permukaan = (2 R). Gaya oleh tekanan dalam tetesan adalah (p-pa)( R 2 ). Dengan demikian, persamaan tekanan untuk tetes air adalah sebagai berikut. Keterangan: p p0 2 R p tekanan udara dalam gelembung (Pa)

5 p0 tekanan atmosfer (Pa) tegangan pemukaan (N/m) R jari-jari gelembung (m) 7. Bagaimana aplikasi/ fenomena tegangan permukaan dalam kehidupan seharihari? Penerapan dan fenomena tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut. 1. Sebatang jarum dapat diam di atas permukaan air meskipun memiliki kerapatan jauh lbih besar dari kerapatan air. 2. Antiseptik yang dipakai untuk mengobati luka, selain memiliki daya bunuh kuman yang baik, juga memiliki tegangan permukaan yang rendah sehingga antiseptik dapat membasahi seluruh luka. Jadi, alhohol dan hampir semua antiseptik memiliki tegangan permukaan yang rendah. 3. Beberapa serangga dapat berjalan di atasermukaan air, kaki mereka membentuk lekukan pada permukaan ai, tetapi tidak masuk ke dalam air. 4. Perbedaan mencuci dengan air panas dan air dingin. Ada hubungan antara kemampuan membasahi air dengan tegangan permukaan air. Mencuci dengan air panas menghasilkan cucian yang lebih bersih daripada air biasa. Tegangan permukaan air dipengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu air makin kecil tegangan permukaan air, dan ini berarti makin besar kemampuan air untuk membasahi pakaian. Karena itu mencuci dengan air panas membuat kotoran pakaian lebih mudah larut dalam air yang diberi deterjen sehingga hasil cuci menjadi lebih bersih. RANGKUMAN SOAL-SOAL PILIHAN GANDA 1. Jarum sepanjang 6 cm terapung di permukaan air. Jika massa jarum sebesar 1,2 g dan percepatan gravitasi bumi g = 9,8 m/s 2, tegangan permukaan air sebesar... N/m 2. A. 0,1 B. 0,2 C. 0,3

6 D. 0,4 E. 0,5 2. Sebuah percobaan viskositas menggunakan tiga jenis bola yang dijatuhkan ke dalam zat cair masing-masing terbuat dari besi, aluminium, dan tembaga. Ketiga bola tersebut memiliki jari-jari yang sama sebesar 0, 02 m. Ternyata setelah dilakukan percobaan diperoleh data sebagai berikut :(ρ besi = 7960 kg/m 3, ρ aluminium = 2700 kg/m 3, ρ tembaga=8930 kg/m 3 ) No Jenis bola Koefisien viskositas ( ) (Pa.s) 1 Besi 1,490 2 Aluminium 1,850 3 Tembaga 1,007 Berdasarkan data tersebut diatas, jenis zat cair yang digunakan dalam percobaan tersebut dan bola yang lebih dulu sampai di dasar tabung adalah A. air, bola aluminium B. gliserin, bola tembaga C. air, bola besi D. gliserin, bola aluminium E. air, bola tembaga 3. Sebuah jarum dapat terapung pada permukaan air karena A. Massa jenis jarum lebih kecil daripada air B. Massa jenis jarun lebih besar daripada air C. Gaya angkat zat cair D. Berat jenis jarum sama dengan berat jenis air E. Tegangan permukaan zat cair 4. Sebuah penjepit kertas yang terbuat dari besi ternyata terapung diatas permukaan air, tetapi jika air tersebut diisi dengan serbuk deterjen ternyata penjepit kertas tersebut tenggelam. Hal ini disebabkan karena A. Deterjen memperbesar tegangan permukaan zat cair B. Deterjen memperkecil tegangan permukaan zat cair C. Deterjen memperbesar berat jenis benda D. Deterjen memperkecil berat jenis benda E. Deterjen memperbesar massa jenis zat cair 5. Berikut ini yang merupakan contoh peristiwa tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari adalah. A. Tetesan embun yang jatuh pada sarang laba-laba berbentuk bola B. Naiknya minyak tanah melalui sumbu pada pelita C. Dalam wadah yang sama minyak dan air tidak bisa bercampur D. Lembabnya dinding tembok E. Melambatnya gerakan benda yang jatuh dalam air 6. Sebuah benda terbuat dari besi terapung diatas permukaan air dan mengalami gaya sebesar 13 N terhadap permukaan air. Besarnya tegangan permukaan pada air adalah 35 N/m. Berapakah panjang benda tersebut?

7 A. 0,37 m B. 0,57 m C. 0,77 m D. 0,47 m E. 0,67 m 7. Seekor serangga yang memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan massa jenis air dapat berjalan dipermukaan zat cair karena A. Berat jenis serangga lebih kecil dari berat jenis pada air B. Berat jenis serangga lebih besar dari berat jenis pada air C. Adanya gaya Archimedes D. Adanya tegangan permukaan zat cair E. Berat jenis serangga sama dengan berat jenis air 8. Seseorang mencuci pakaian dengan menggunakan air hangat dan air biasa, ternyata mencuci dengan menggunakan air hangat lebih cepat bersih daripada mencuci dengan menggunakan air biasa. Alas an yang benar tentang hal tersebut adalah A. Semakin tinggi suhu air semakin kecil tegangan permukaan air, sehingga semakin mudah membasahi pakaian yang dicuci. B. Semakin tinggi suhu air semakin besar tegangan permukaan air, sehingga semakin mudah membasahi pakaian yang dicuci. C. Semakin rendah suhu air semakin kecil tegangan permukaan air, sehingga semakin mudah membasahi pakaian yang dicuci. D. Semakin rendah suhu air semakin besar tegangan permukaan air, sehingga semakin mudah membasahi pakaian yang dicuci. E. Besarnya tegangan permukaan zat cair tidak dipengaruhi oleh suhu zat cair. 9. Sebuah pipa yang jari-jarinya 1 mm memiliki tegangan permukaan sebesar 0,050 N/m dan sudut kontaknya adalah nol. Tinggi air akan naik dalam pipa tersebut adalah A. 0,03 m B. 0,05 m C. 0,10 m D. 0,20 m E. 0,40 m 10. Berapakah tinggi air akan naik dalam pipa yang jari-jarinya 0,1 x 10-3 m, jika tegangan permukaannya sama dengan 0,037 N/m dan sudut kontaknya nol? A. 0,066 m B. 0,076 m C. 0,086 m D. 0,067 m E. 0,068 m 11. Jika sebuah kawat kecil yang panjangnya 15 cm terapung dipermukaan zat cair dan gaya yang tegak lurus terhadap kawat sebesar 2 N. Berapakah tegangan permukaan pada zat cair tersebut? A. 11,0 N B. 12,3 N C. 13,3 N

8 D. 14,5 N E. 15,0 N. 12. Sebuah pipa kapiler yang berdiameter 0,6 mm dimasukkan secara tegak lurus ke dalam sebuah bejana yang berisi raksa ( raksa kg / m ), sudut kontak raksa dengan dinding pipa adalah 140 o. Bila tegangan permukaan raksa adalah 0,06 N/m, maka penurunan raksa dalam pipa kapiler adalah (g=9,8 m/s 2 ) A. -0,0023 mm B. -0,0033 mm C. -0,0043 mm D. 0,0023 mm E. 0,0033 mm 13. Mengapa jarum jahit tenggelam di dalam air sedangkan kapal dapat terapung di atas permukaan air? Jelaskan alasanmu! Penjelasan: Kapal memiliki ruangan yang demikian luas beserta rongga berisi udara yang menjadikan volume kapal menjadi sedemikian besar dan mengakibatkan massa jenisnya menjadi lebih kecil. 14. Hitunglah besar viskositas zat cair yang massa jenisnya 1000 kg/m 3 dalam tabung, jika sebuah benda di jatuhkan kedalam tabung tersebut dengan jari-jari benda 0,001 m dan massa jenis benda 2,7 x 10 3 kg/m 3 serta kecepatan benda adalah 14,8 m/s. A. 0,5 x 10-3 Pa.s B. 1,5 x 10-3 Pa.s C. 3 x 10-3 Pa.s D. 1 x 10-3 Pa.s E. 2,5 x 10-3 Pa.s 15. Untuk mengangkat sebuah jarum yang panjangnya 0,05 m dari permukaan zat cair, diperlukan gaya sebesar F Newton. Jika tegangan permukaan zat cair 63 N/m, tentukan besar F! A. 3,00 N B. 3,25 N C. 3,50 N D. 3,15 N E. 3,45 N 16. Sebuah bola kecil memiliki massa jenis 2600 kg/m 3 dibiarkan jatuh ke dalam minyak yang bermassa jenis 950 kg/m 3, Jika viskositas minyak tesebut sebesar 1,2 x 10-3 Pa.s dan dalam waktu 5 s bola tersebut menempuh jarak sebesar 83 cm. Berapa jari-jari bola tersebut? A. 1,4 x 10-3 m B. 2,4 x 10-4 m C. 3,4 x 10-4 m D. 1,4 x 10-4 m E. 2,4 x 10-5 m

9 17. Sebuah silet dapat mengapung di atas permukaan zat cair karena adanya gaya apung dari permukaan zat cair. Benar atau salahkah pernyataan tersebut? Jelaskan alasanmu! Penjelasan: Salah. Silet yang mengapung di atas permukaan air tidak dipengaruhi oleh gaya keatas melainkan karena adanya tegangan permukaan zat cair (air). 18. Berapakah kecepatan terminal sebuah bola baja berjari jari 1,2 mm yang jatuh ke dalam larutan gliserin pada suhu 30 o C. Jika diketahui massa jenis besi 7,86 x 10 3 kg/m 3, massa jenis gliserin 5,22 x 10 3 kg/m 3 dan viskositas gleserin 1,41 Pa.s. A. 0,06 m/s B. 0,08 m/s C. 0,10 m/s D. 0,07 m/s E. 0,09 m/s 19. Zat cair dalam bejana mempunyai permukaan berbentuk cekung jika A. Sudut sentuh tumpul B. Gaya adhesi lebih kecil daripada gaya kohesi C. Gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi dan sudut sentuhnya sama dengan 90 o D. Gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi dan sudut sentuhnya lebih besar dari 90 o E. Gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi dan sudut sentuhnya kurang dari 90 o 20. Sebuah logam bergerak vertikal ke bawah dengan kelajuan tetap 0,5 cm/s di dalam suatu fluida yang mempunyai massa jenis 2 g/cm 3. Jari-jari bola 0,9 cm dan massa jenisnya 7 g/cm 3. Jika g = 10 m/s 2, maka koefisien viskositas fluida tersebut adalah A. 1,8 Ns/m 2 B. 36 Ns/m 2 C. 180 Ns/m 2 D. 18 Ns/m 2 E. 72 Ns/m Mengapa saat kita mencuci dengan air hangat, pakaian akan lebih cepat bersih daripada mencuci dengan air dingin. Jelaskan alasanmu! Penjelasan: Agar pakaian yang kita cuci benar-benar bersih maka air harus melewati celah yang sangat sempit pada serat pakaian. Untuk itu diperlukan penambahan luas permukaan air. Hal ini sangat sukar dilakukan karena adanya tegangan permukaan. Sehingga nilai tegangan permukaan air harus diturunkan terlebih dahulu dengan menggunakan air panas. Makin tinggi suhu air makin baik karena tegangan permukaan akan semakin kecil.

10 22. Tentukan kecepatan terminal sebutir tetes hujan. Anggap garis tengah tetes hujan 0,5 mm, massa jenis udara 1,30 kg/m 3, dan koefisien viskositas udara 1,80 x 10-5 Pa.s (g= 10 m/s 2 ). A. 2,54 m/s B. 7,64 m/s C. 15,00 m/s D. 5,40 m/s E. 10,30 m/s 23. Besarnya gaya gesekan yang bekerja pada benda yang jatuh di dalam zat cair tergantung pada. A. Kecepatan benda, viskositas, dan ukuran benda B. Tegangan permukaan, viskositas, dan massa jenis zat cair C. Kecepatan benda, ukuran benda, dan tegangan permukaan D. Massa jenis benda, massa jenis zat cair, dan viskositas E. Massa jenis benda, tegangan permukaan, dan kecepatan benda 24. Perhatikan alat-alat di bawah ini! (1) Silet di atas air (2) Penyelam dalam air (3) Pesawat terbang (4) Nyamuk di atas air (5) Busa sabun Dari peristiwa di atas, yang merupakan akibat dari adanya tegangan permukaan adalah A. (1), (2), (3) B. (1), (3), (5) C. (1), (4), (5) D. (1), (2), (4) E. (2), (3), (4) 25. Perhatikan besaran-besaran di bawah ini! (1) Gaya tegang (2) Massa Fluida (3) Panjang permukaan (4) Jenis Fluida (5) Volume fluida Dari besaran-besaran di atas, yang merupakan factor-faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan adalah (A) (1) dan (2) (B) (2) dan (3) (C) (3) dan (4) (D) (4) dan (5) (E) (1) dan (3) ESSAI 1. Seorang siswa memasukan pipa kapiler yang jari-jarinya 1 mm ke dalam cairan yang massa jenisnya 0,8 g/cm 3. Ternyata sudut kontaknya 60 0 dan cairan naik setinggi 40

11 mm dari permukaan cairan diluar kapiler. Berapakah tegangan permukaan zat cair tersebut? 2. Berapakah kenaikan alkohol dalam sebuah pipa kapiler yang berdiameter 0,05 cm jika tegangan permukaan sebesar 0,25 N/m dan massa jenis alkohol 0,8 gram/cm 3. Asumsikan bahwa sudut kontaknya sama dengan nol. DAFTAR PUSTAKA Giancoli, Douglas C Fisika Edisi Ke lima Jilid 1, Terjemahan. Jakarta: Erlangga. Halliday, dkk Fisika Dasar Jilid 7 Edisi ke 1, Terjemahan. Jakarta: Erlangga. Sears, F. W. dan Zemansky, M.W Fisika universitas jilid 1. Jakarta : Erlangga. Serway, A. Raymond dan John W. Jewett Fisika untuk sains dan teknik. Jakarta: Penerbit Salemba Teknika. Tipler, Paul A Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 2 (Terjemahan Dr. Bambang Soegijono). Jakarta: Erlangga. Young, Hugh D. dan Roger A. Freedman Fisika Universitas, Terjemahan. Erlangga : Jakarta.