Mekanika Fluida Tegangan permukaan dan kapilaritas

MEKANIKA FLUIDA

• Tegangan permukaan

Tegangan permukaan merupakan gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang berkerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu. Tegangan permukaan diakibatkan karena gaya yang bekerja pada zat cair tersebut. Dalam keadaan diam, permukaan zat cair akan membuat gaya tarik ke segala arah kecuali ke atas. Hal itulah yang menyebabkan adanya tegangan permukaan.Dalam peristiwa sehari-hari dapat diamati seperti :

1.   serangga dapat berjalan diatas permukaan air
2.  jarum atau silet dapat diletakkan di atas permukaan air dengan hati-hati  
3.    kecenderungan tetes air berbentuk bola.

            Fenomena ini menunjukkan permukaan air mempunyai semacam stress tekan atau tegang muka zat cair. Tegangan permukaan zat cair merupakan kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis. Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Molekul cairan biasanya saling tarik-manarik. Oleh karena itu, terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dip ermukaan ditarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya. Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah. Karena adanya gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terletak di permukaan cenderung memperkecil luas permukaannya dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis. Dengan sifat tersebut zat cair mampu untuk menahan benda-benda kecil di permukaannya.

Tegangan permukaan air berhubungan dengan kemampuan air untuk membasahi benda. Makin kecil tegangan permukaan air, makin baik kemampuan air untuk membasahi benda, dan ini berarti kotoran-kotoran pada benda lebih mudah larut dalam air. Balon sabun adalah film tipis dari air sabun dengan permukaan warna-warni. Balon sabun biasanya hanya berusia beberapa detik kemudian buyar sendiri atau karena menyentuh benda lain. Sering digunakan untuk permainan anak-anak atau pertunjukan seni. Kulit balon sabun terdiri dari lapisan tipis air yang terjebak di antara dua lapisan molekul, biasanya sabun. Balon sabun terbentuk karena permukaan cairan (biasanya air) memiliki tegangan permukaan, yang menyebabkan lapisan itu elastis. Namun balon yang dibentuk dari cairan saja tidak stabil seperti sabun harus dilarutkan di dalamnya untuk membuat balon stabil. Balon sabun yang ditiupkan di udara dengan suhu di bawah -25⁰C, balon akan membeku di udara dan dapat pecah ketika jatuh ke tanah. Gelembung atau balin sabun berbentuk bulat karena dipengaruhi oleh adanya tegangan permukaan. 

 

 Gelembung sabun memiliki dua selaput tipis pada permukaannya dan di antara kedua selaput tipis tersebut terdapat lapisan air tipis. Adanya tegangan permukaan menyebabkan selaput berkontraksi dan cenderung memperkecil luas permukaannya. Ketika selaput air sabun berkontraksi dan berusaha memperkecil luas permukaannya, timbul perbedaan tekanan udara di bagian luar selaput (tekanan atmosfir) dari tekanan udara di bagian dalam selaput. Tekanan udara yang berada di luar selaput turut mendorong selaput air sabun ketiaka ia melakukan kontraksi, karena tekanan udara di bagian dalam selaput lebih kecil. Setelah selaput berkontraksi, maka udara di dalamnya (udara yang terperangkan di antara dua selaput) ikut tertekan, sehingga menaikkan tekanan udara di dalam selaput sampai tidak terjadi kontraksi lagi. Dengan kata lain, ketika tidak terjadi kontraksi lagi, besarnya tekanan udara di antara dua selaput sama dengan jumlah tekanan atmosfir dengan gaya tegangan permukaan yang mengerutkan selaput. 

            Secara sederhana gaya permukaan zat cair dapat dinyatakan sebagai gaya per satuan panjang :

 

           g = koefisien tegang muka. Gaya ini berkurang dengan meningkatnya temperatur dan berubah jika ada larutan-larutan lain. Umumnya gaya per satuan panjang diukur pada suhu 20◦C , misalnya untuk air sebesar

            73 dyne/cm = 0, 073 N/m

            1 dyne = 10−5N/m.

Jika zat cair bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, maka gaya tarik menarik antara molekul tidak seimbang lagi dan menyebabkan molekul-molekul pada permukaan zat cair melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja yang dilakukan oleh molekul-molekul pada permukaan zat cair tersebut dinamakan tegangan permukaan (s). Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik.

            Beda Tekanan :

            Beda tekanan di sini berhubungan tegang muka dengan tekanan udara luat. Beda Tekanan P – Pο adalah tekanan yang menyebabkan adanya gaya yang bekerja pada tiap elemen permukaan zat cair yang arahnya tegak lurus permukaan. Resultan gaya pada tetes cairan adalah

            Dimana

            A = Luas permukaan pada tetes cairan. Berikut ini beda tekanan pada tetes air dengan gelembung sabun

           

Tegangan permukaan bertanggung jawab atas tetesan cairan. Meskipun mudah cacat, tetesan air cenderung ke dalam bentuk bola dengan kekuatan kohesif dari lapisan. Dengan tidak adanya kekuatan lain, termasuk gravitasi, tetesan hampir semua cairan akan berbentuk bulat sempurna. Bentuk bulat meminimalkan “ketegangan dinding” yang diperlukan dari lapisan permukaan sesuai dengan hukum Laplace.

•   Tegangan Uap

          Tekanan uap adalah tekanan suatu uap pada kesetimbangan dengan fase bukan uap-nya. Semua zat padat dan cair memiliki kecenderungan untuk menguap menjadi suatu bentuk gas, dan semua gas memiliki suatu kecenderungan untuk mengembun kembali. Pada suatu suatu suhu tertentu, suatu zat tertentu memiliki suatu tekanan parsial yang merupakan titik kesetimbangan dinamis gas zat tersebut dengan bentuk cair atau padatnya. Artinya, suatu fluida dikatakan mencapai tekanan uap air jenuh ketika telah mencapai kesetimbangan jumlah antara molekul fluida yang menguap dan molekul fluida yang kembali mengembun ke dalam fluida.

            Titik ini adalah tekanan uap zat tersebut pada suhu tersebut. Tekanan uap suatu cairan bergantung pada banyaknya molekul di permukaan yang memiliki cukup energi kinetik untuk lolos dari tarikan molekul-molekul tetangganya. Jika dalam cairan itu dilarutkan suatu zat, maka kini yang menempati permukaan bukan hanya molekul pelarut, tetapi juga molekul zat terlarut. Karena molekul pelarut di permukaan makin sedikit, maka laju penguapan akan berkurang. Dengan pekataan lain, tekanan uap cairan itu turun. Makin banyak zat terlarut, makin besar pula penurunan tekanan uap.

• Kapilaritas

Gejala kapiler atau kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya zat cair di dalam pipa kapiler disebabkan oleh interaksi molekul-molekul di dalam zat cair (adhesi dan kohesi) Gaya kohesi adalah tarik-menarik antara molekul-molekul di dalam suatu zat cair.

Gaya adhesi adalah tarik menarik antara molekul dengan molekul lain yang tidak sejenis, yaitu bahan wadah di mana zat cair berada. 

Seperti sebuah barometer dengan pipa kapiler yang diisi dengan air raksa dan sebagian lagi ruang hampa udara (vakum). Perhatikan bahwa ketinggian air raksa di pusat tabung lebih tinggi dari pada tepi, membuat permukaan atas dari raksa berbentuk kubah. Pusat massa dari seluruh kolam air raksa akan sedikir lebih rendah jika permukaan atas raksa yang datar selama crossection seluruh tabung.

Gejala kapiler pada meniscus cekung (air) akan naik di dalam pipa kapiler, makin kecil lubang pipa kapiler makin tinggi naiknya zat cair.

            Pada meniskus cembung (raksa) akan turun di dalam pipa kapiler, Makin kecil lubang pipa kapiler, maka makin rendah penurunan zat cair.Gejala kapiler tergantung pada kohesi dan adhesi.

1.      Dalam kehidupan sehari-hari gejala kapilaritas sering kita temui misalnya:

2.      Naiknya minyak melalui sumbu kompor.

3.      Penghisapan air dari tanah oleh akar tanaman menuju dau melalui pembuluh kayu pada batang.

4.      Air membasahi dinding kamar mandi sehingga dinding menjadi lembab.

5.      Penghisapan air pada lantai dengan kain pel.

6.      Penghisapan air pada badan setelah mandi dengan handuk.

Share this post