Konsep Tegangan Permukaan dan Kapilaritas

Sebuah fenomena yang sering tampak dalam kehidupan sehari-hari adalah seekor serangga air yang dapat berjalan dipermukaan air. Selain fenomena tersebut, fenomena lain adalah ketika kita meletakan silet di atas permukaan secara hati-hati, beberapa saat silet akan berada di atas permukaan air. Mengapa kedua hal tersebut dapat terjadi? Selain dua peristiwa di atas, sebuah peristiwa yang sering terjadi adalah sifat zat cair yang dapat meresap melalui pembuluh-pembuluh kecil, seperti meresapnya minyak tanha pada sumbu kompor sampai ketinggian tertentu. Fenomena atau pun peristiwa di atas dapat dijelaskan oleh dua konsep fisika yaitu gaya tegangan permukaan dan kapilaritas. Fokus pemahaman konsep yang akan diuraikan dalam pembahasan adalah dua konsep tersebut.

Tegangan Permukaan

Sejumlah pengamatan pada umumnya menunjukkan bahwa permukaan zat cair berprilaku seperti sebuah lapisan yang teregang akibat tegangan. Tegangan ini bekerja sejajar dengan permukaan yang muncul akibat gaya tarik antar molekul. Efek ini disebut tegangan permukaan. Tegangan permukaan didefinisikan sebagai gaya persatuan panjang yang bekerja melintasi semua garis pada permukaan. Secara matematis dituliskan sebagai berikut:

Gamma menunjukkan tegangan permukaan (N/m), F menunjukkan gaya bekerja pada benda, dan L menunjukkan panjang benda yang bersentuhan dengan permukaan zat cair. Dua peristiwa di atas seperti serangga air, dan silet yang terapung pada permukaan disebabkan oleh efek tegangan permukaan. 

Kaji-1: Sebuah jarum yang mempunyai panjang 10 cm dengan diameter 0.1 mm dan bermassa 1 gram terapung pada permukaan air yang mempunyai tegangan permukaan 0.07 N/m. Tentukanlah gaya tegangan permukaan yang bekerja pada jarum, dan tentukanlah gaya yang digunakan untuk mengangkat jarum tersebut!

Jawab:

Besaran yang diketahui.


Gaya tegangan permukaan yang bekerja pada pemukaan jarum sebagai berikut:


Mengapa panjang yang digunakan 2L karena sisi yang bersentuhan antara jarum dengan air terdapat dua permukaan yaitu sisi kanan dan kiri.

Gaya luar yang digunakan untuk mengangkat jarum minimal harus sama dengan gaya tengan permukaan ditambah dengan berat jarum itu sendiri.

Latih-1: Sebuah jarum yang mempunyai panjang 10 cm dengan diameter 0.1 mm dan bermassa 1 gram terapung pada permukaan air yang mempunyai tegangan permukaan 0.07 N/m. Tentukanlah gaya tegangan permukaan yang bekerja pada jarum, dan tentukanlah gaya yang digunakan untuk mengangkat jarum tersebut!

Kaji-2: Sebuah serangga air yang berkaki enam akan menempati permukaan air yang tenang. Satu kaki serangga mempunyai radius sekitar 3/100000 m dan serangga tersebut bermassa 0.036 gram. Tentukanlah apakah kaki serangga tersebut akan tenggelam dalam air!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Untuk mengetahui apakah kaki serangga akan tenggelam atau tidak, kita harus menentukan berapa kostanta tegangan permukaan dari berat serangga dan permukaan lingkar kakinya. Konstanta tegangan permukaan dapat dihitung dengan cara



Kalau kita bandingkan dengan konstanta tegangan permukaan air yaitu 0.07 N/m, konstanta tersebut hampir empat kalinya untuk nilai air. Ini menunjukkan bahwa kaki serangga akan tenggelam.

Latih-2: Sebuah serangga air yang berkaki enam akan menempati permukaan air yang tenang. Satu kaki serangga mempunyai radius sekitar 3/100000 m dan serangga tersebut bermassa 0.016 gram. Tentukanlah apakah kaki serangga tersebut akan tenggelam dalam air!

Kapilaritas
Kapilaritas sangat berkaitan erat dengan konsep tegangan permukaan yang telah dibahas sebelumnya. Ketika kita memasukan air kedalam gelas dan permukaannya dibiarkan sampai kondisi tenang, telah tampak biasa bahwa permukaan air akan lebih tertarik oleh sisi samping permukaan gelas atau membasahi gelas. Sehingga sekeliling gelas air akan tampak perlihat cekungan. Hal tersebut akan bertolak belakang ketika raksa yang dimasukan kegelas yang telihat tidak membasahi gelas sama sekali. Air membasahi gelas disebabkan tarikan molekul antara air dan gelas lebih tinggi dibandingkan tarikan molekul antar air. Sebaliknya pada raksa tarikan antar raksa lebih kuat dibandingkan dengan tarikan molekul raksa dengan gelas. Gaya tarik menarik antar molekul dari bahan yang berbeda disebut gaya adhesi, sedangkan gaya tarik antar molekul sejenis saling tarik menarik.

Jika kita melihat pipa kapiler yang sangat kecil, zat cair akan tampak naik atau turun terhadap zat cair disekeliling pipa kapiler. Peristiwa ini disebut kapilaritas. Pipa kapiler ini akan sangat bergantung pada kekuatan kohesi dan adhesi. Selain itu besar naik atau turunnya permukaan ini bergantung pada tegangan permukaan yang menjaga agar permukaan cair tidak pecah.

Gambar (a) menunjukkan raksa yang tidak membasahi pipa sedangkan gambar (b) menunjukkan permukaan air yang membasahi dinding kaca. Baik kenaikan dan penurunan permukaan zat cair terhadap zat cair disekelilingnya dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Keterangan untuk persamaan di atas adalah h ketinggian/penurunan zat cair (m), theta merupakan sudut kontak, rho merupakan massa jenis zat, gamma merupakan konstanta tegangan permukaan, dan r jejari dari tabung kapiler (m).

Kaji-1: Air meresap dalam sebuah pipa kapiler yang mempunya radius/jari-jari 0.1 mm. Jika sudut kontaknya nol dan konstanta tegangan permukaan 0.073 N/m. Tentukan ketinggian air dalam pipa tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Ketinggian permukaan air dalam pipa kapiler adalah sebagai berikut


Latih-1: Air meresap dalam sebuah pipa kapiler yang mempunya radius/jari-jari 0.2 mm. Jika sudut kontaknya nol dan konstanta tegangan permukaan 0.073 N/m. Tentukan ketinggian air dalam pipa tersebut!

Kaji-2: Bila sebuah pipa kapiler berdiameter 0.8 mm dicelupkan kedalam methanol maka methanol naik sampai ke ketinggian 15 mm. Jika sudut kontak methanol dengan dinding nol,tentukanlah tegangan permukaan untuk methanol (massa jenis methanol 800 kg/meter kubik)!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Konstanta tegangan permukaan untuk methanol adalah



Latih2: Bila sebuah pipa kapiler berdiameter 0.4 mm dicelupkan kedalam etanol maka etanol naik sampai ke ketinggian 10 mm. Jika sudut kontak etanol dengan dinding nol,tentukanlah tegangan permukaan untuk etanol (massa jenis methanol 700 kg/meter kubik)!