TEGANGAN PERMUKAAN, SUDUT KONTAK DAN KAPILARITAS ~ MATERI DAN SOAL IPA UNTUK SMA

Gambar di samping memperlihatkan seekor serangga yang hinggap di permukaan air dan sebuah silet yang mengambang di atas air. Mengapa keduanya tidak tenggelam ?. Hal ini desebabkan karena adanya tegangan permukaan antara zat cair dengan benda di atas permukaan zat cair tersebut.
Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk meregang sehingga permukaannya seolah tertutup oleh lapisan elastis.
Hal ini dikarenakan adanya gaya tarik-menarik antar partikel. Gaya tarik menarik antar partikel sejenis disebut kohesi, dan gaya tarik menarik antara partikel yang tidak sejenis disebut adhesi.
Bagaimana tegangan permukaan terjadi ?

Di bawah permukaan zat cair (titik A), setiap partikel zat ditarik oleh gaya yang sama ke segala arah oleh partikel-partikel didekatnya. Akibatnya, resultan gaya yang bekerja pada partikel sama dengan nol. Pada permukaan zat cair (titik B), setiap partikel ditarik oleh partikel-partikel terdekat yang berada disamping dan di bawahnya, tetapi tidak di tarik oleh partikel yang ada di atasnya. Akibatnya ada resultan gaya berarah ke bawah yang bekerja pada permukaan zat cair. Resultan gaya ini menyebabkan permukaan zat cair seolah-olah tertutup oleh selaput tipis elastis. Resultan gay a tersebut mengakibatkan cairan mengambil bentuk luas permukaan sekecil mungkin. Akibatnya tegangan permukaan, setetes air akan cenderung berbentuk bola karena dalam bentuk bola, cairan memiliki daerah permukaan yang paling kecil

Untuk mengetahui besarnya tegangan permukaan maka perhatikan gambar di atas. Seutas kawat abcd berbentuk U dihubungkan dengan kawat lain PQ selanjang l, yang bergerak bebas pada kaki kawat abcd. Celupkan susunan kawat ini ke larutan sabun, kemudian keluarkan sehingga terbentuk larutan tipis pada persegi panjang abcd. Gaya tegangan permukaan pada sabun akan menarik kawat PQ ke atas. Untuk mengimbanginya diperlukan gaya w yang berarah ke bawah. Jadai pada keadaan setimbang gaya tegangan permukaan w, berupa berat kawat ditambah berat benda yang digantung pada kawat tersebut.
Tegangan permukaan (γ) dalam zat cair didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya permukaan (F) dan panjang permukaan (d) di mana gaya yang bekerja

γ = F/d

Karena selaput sabut mempunyai dua permukaan (d = 2l) maka

γ = F/2l

Soal

Sebatang kawat dibengkokkan seperti huru U. Kemudian kawat kecil PQ yang bermassa 0,2 gram dipasang dalam kawat tersebut(perhatikan gambar). Kemudian kawat tersebut dicelupkan ke dalam cairan sabun dan diangkat vertikal sehingga ada lapisan tipis sabun di antara kawat tersebut. Ketika ditarik ke atas kawa kecil mengalami gaya tarik ke atas oleh lapisan sabung. Agar terjadi keseimbangan, maka pada kawat kecil PQ digantungkan benda dengan massa 0,1 gram. Jika panjang kawat PQ = 10 cm dan nilai gravitasi 9,8 m/s², berapa tegangan sabun tersebut?
Pembahasan:

Diketahui : Massa kawat = 0,2 gram = 2 x 10^-4 kg; Panjang kawat (l) = 10 cm = 10^-1 m; Massa benda = 0,1 gram = 1 x 10^-4 kg; g = 9,8 m/s²

Ditanyakan : tegangan permukaan lapisan sabun (g)

Rumus
γ = F/d ( d = 2l)
F = berat kawat ditambah berat benda = 3 x 10^-4 kg x 9,8 = 2,94 x 10^-3 N
γ = 2,94 x 10^-3/ 2x 10^-1 = 1,47 x 10^-2 N/m.

Jadi besarnya tegangan permukaan adalah 1,47 x 10^-2 N/m.

Sudut Kontak

Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk oleh dinding tabung dengan bidang singgung permukaan zat cair. Hal ini timbul akibat adanya gaya kohesi dan adhesi.
Gaya kohesi dan adhesi berperan dalam menentukan bentuk-bentuk permukaan zat cair. Setetes air yang jatuh di permukaan kaca mendatar akan meluas permukaannya. Hal ini disebabkan adhesi air-kaca lebih besar daripada kohesi air. Setetes air raksa yang jatuh dipermukaan kaca mendatar akan mengumpul membentuk bola karena adhesi raksa-kaca lebih kecil dibandingkan kohesi air raksa. Permukaan zat cair di dalam tabung tidak mendatar, tetapi sedikit melengkung. Gejala melengkungnya permukaan zat cair di dalam tabung disebut miniskus.

Ada dua macam meniskus, yaitu meniskus cekung dan meniskus cembung. Meniskus cekung terjadi pada permukaan zat cair dalam tabung kaca yang sudut kontaknya kurang dari 90^o (θ< 90^o), sedangkan meniskus cembung terjadi pada permukaan zat cair dalam tabung kaca yang sudut kontaknya lebih besar daripada 90^o (θ> 90^o).

Kapilaritas.

Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair di dalam pipa kapiler (pipa sempit). Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut :

Jika pipa kapilersimasukkan dalam zat cair yang membasahi dinding (θ< 90^o), misalnya air, maka zat cair di dalam pipa akan naik lebih tinggi dibandingkan dengan permukaan zat cair yang ada di luar pipa. Sebaliknya , jika pipa kapiler dimasukkan ke dalam zat cair yang tidak membasahi dinding (θ> 90^o), misalnya raksa, maka zat cair dalam pipa lebih rendah daripada permukaan zat cair di luar pipa.

Naik turunnya permukaan zat cair yang dipengaruhi oleh gaya kohesi dan adhesi dan tegangan permukaan.

Pipa kapiler dengan jari-jari r dimasukkan ke dalam zat cair yang berada dalah bejana tegak lurus. Komponen tegangan permukaan pada arah horizontal saling meniadakan. Gaya tegang yang diperoleh yaitu F = γ 2π r cosθ. Gaya ini menarik air dalam pipa sehingga bergerak ke atas. Jika jumlah gaya sama dengan nol, air akan berhenti naik.

mg = F cosθ

ρ Vg = γ l cosθ

ρ π r2hg = γ 2π r cosθ

Dengan menyelesaikan persaan diatas maka kita akan diperoleh persamaan

y = (2γcosθ)/ρgR

Keterangan :

Y = naik turunnya permukaan zat cair dalam pipa kapiler (m)

γ= tegangan permukaan (N/m)

θ = sudut kontak

ρ massa jenis zat cair (kg/m³)

g = percepatan grafitasi (m/s²)

r = jari-jari penampang pipa (m)

Contoh soal kapilaritas :

1. Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan secara vertikal ke dalam air, sudut kontaknya 60°. Jika tegangan permukaan air 0,5 N/m dan g = 10 m/s², tentukanlah kenaikan air pada tabung.

Jawab

Diketahui: dtabung = 0,4 cm r = 0,2 cm, θ = 60°, . γ = 0,5 N/m, dan g = 10 m/s².

h = (2γcosθ)/ρgR

h = (2 . 0,5 . cos 60)/(1 . 10 . 0,2)

h = 0,025m

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

Penyesuaian :

Diketahui :

r = 0,15 mm = 1,5 x 10^-4m, ρ =1.000 kg/m³

Jawab :

Ketinggian air h adalah:

h = (2γcosθ)/ρgR = (2 . 0,073 .cos0)/(1 . 10. 0,0015)

h = 9,93 x 10^-2m = 9,93 cm

Jadi, tinggi air dalam pipa =9,93 cm

3. 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, γ = 0,465 N/m, θ = 150,

Jawab :
h= (2γcosθ)/ρgR = (2 . 0,465 . cos 150)/(

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

Peristiwa kapilaritas Dalam Kehidupan

- naiknya minyak tanah pada sumbu kompor sehingga kompor dapat menyala,

- naiknya minyak tanah pada sumber lampu tempel sehingga lampu itu menyala,

- naiknya air pada musim hujan sehingga dinding rumah basah,

- naiknya air tanah melalui akar dengan pembuluh-pembuluh tumbuhan,

- air menggenang dapat diserap dengan kain pel, spons, atau kertas isap, dan

- cairan tinta yang tumpah dapat diserap oleh kapur tulis atau kertas isap.

MATERI FLUIDA