Tegangan!Permukaan! - andalanpelajar.com

Akibat!adanya!tegangan!permukaan!membuat!permukaan!zat!cair!selalu!menuju! kekeadaanyang!luas!permukaannya!paling!kecil.!!!...

11 downloads 666 Views 3MB Size
 

4. Tegangan  Permukaan     Tegangan  permukaan  fluida  adalah  kecenderungan  permukaan  fluida  untuk   meregang  sehingga  permukaannya  seperti  ditutupi  oleh  selaput  karena  adanya   gaya  tarik  menarik  sesama  molekul  fluida  yang  disebut  gaya  kohesi    

Gambar  8     Pada  molekul  yang  terletak  jauh  dari  permukaan,  karena  mendapatkan  gaya   tarik  menarik  dari  semua  arah  maka  resultan  gaya  tarik  menarik  nol  sehingga   tidak  ada  tegangan  permukaan     Untuk  molekul  yang  terdapat  pada  permukaan  karena  di  atas  permukaan  tidak   ada  molekul  air  sehingga  resultan  gaya  mengarah  ke  bawah  yang  menyebabkan   seolah  olah  permukaan  air  ditutupi  oleh  selaput  tipis.     Akibat  adanya  tegangan  permukaan  membuat  permukaan  zat  cair  selalu  menuju   ke  keadaan  yang  luas  permukaannya  paling  kecil.       Hal  ini  bisa  terlihat  tetesan  air  berbentuk  bola  karena  bentuk  bola  adalah  luas   permukaannya  terkecil.  Jika  zat  cair  menempati  suatu  wadah,  luas  permukaan   terkecil  adalah  bentuk  datar  sehingga  permukaan  zat  cair  tidak  mengikuti   bentuk  wadahnya.  Permukaan  air  dalam  mangkuk  tetap  datar  walaupun   mangkuk  berbentuk  setengah  lingkaran.     Tegangan  permukaan  adalah  gaya  pada  permukaan  tiap  satuan  panjang       Untuk  fluida  dengan  satu  permukaan     𝐹 𝛾 =   𝑑 dimana       𝛾    adalah  tegangan  permukaan  satuannya  adalah  N/m     𝐹    adalah  gaya  satuannya  N     𝑑    adalah  panjang  permukaan     Untuk  fluida  dengan  2  permukaan  𝑑 = 2𝑙  maka     𝐹 𝛾 =   2𝑙

 

 

Gambar  9     Pada  gambar  di  atas  air  sabun  di  dalam  wadah  dapat  ditarik  naik  dan  air  sabun   menyerupai  selaput  pada  kawat  karena  adanya  tegangan  permukaan  air  sabun.     Jika  terjadi  kesetimbangan  dimana  gaya  berat  air  sabun  sama  besar  dengan  gaya   tegangan  permukaan  maka  selaput  tetap  utuh  pada  kawat  tidak  pecah.     𝑤 =𝐹     𝑚𝑔 = 𝛾×2𝑙         a. Sudut  Kontak  dan  Gejala  Meniskus     Molekul  molekul  zat  cair  selalu  bergerak  akibat  gaya  tarik  menarik  sesama   molekul.     Gaya  tarik  menarik  antara  molekul  yang  sama  disebut  gaya  kohesi.     Zat  cair  yang  menempati  suatu  wadah,  selain  terjadi  tarik  menarik  antara   molekul  zat  cair  juga  terjadi  tarik  menarik  dengan  molekul  wadah  yang   ditempati.     Gaya  tarik  menarik  antara  molekul  yang  berbeda  disebut  gaya  adhesi.     Akibat  pengaruh  gaya  kohesi  dan  gaya  adhesi  maka  permukaan  air  yang   terletak  dekat  dinding  wadah  tidak  rata  atau  datar  tetapi  melengkung.   Kelengkungan  zat  cair  di  dalam  wadah  disebut  meniskus.          

 

  Gaya  Adhesi  >  Gaya  Kohesi     Jika  gaya  adhesi  𝐹!  lebih  besar  dari  gaya  𝐹!  maka  gaya  resultannya  𝐹!   mengarah  ke  luar  dinding  wadah.    

Gambar  10     Supaya  terjadi  kesetimbangan  maka  permukaan  air  dekat  dinding  wadah   harus  tegak  lurus  dengan  gaya  resultan  𝐹!  sehingga  permukaan  air   melengkung  ke  atas  atau  disebut  meniskus  cekung.     Jika  ditarik  garis  lurus  mengikuti  kelengkungan  air  terhadap  dinding   vertikal  maka  sudut  antara  garis  tersebut  dengan  dinding  vertikal  disebut   sudut  kontak.     Pada  meniskus  cekung  sudut  kontak  besarnya  𝜃 < 90!         Gaya  Adhesi  <  Gaya  Kohesi     Jika  gaya  adhesi  𝐹!  lebih  kecil  dari  gaya  𝐹!  maka  gaya  resultannya  𝐹!   mengarah  ke  dalam  dinding  wadah.    

Gambar  11     Supaya  terjadi  kesetimbangan  maka  permukaan  air  dekat  dinding  wadah   harus  tegak  lurus  dengan  gaya  resultan  𝐹!  sehingga  permukaan  air   melengkung  ke  bawah  atau  disebut  meniskus  cembung.     Pada  meniskus  cembung  sudut  kontak  besarnya  90! < 𝜃 < 180!      

 

b. Kapilaritas     Kapilaritas  adalah  gejala  naik  atu  turunnya  zat  cair  di  dalam  pipa  yang   sangat  kecil  akibat  tegangan  permukaan,  gaya  kohesi  dan  gaya  adhesi.     Ujung  pohon  yang  tinggi  bisa  mendapatkan  air  dari  dalam  tanah  karena   prinsip  kapilaritas.     Kapilaritas  naik  terjadi  jika  sudut  kontak  𝜃 < 90!  sebaliknya  kapilaritas   turun  terjadi  jika  sudut  kontak  90! < 𝜃 < 180!    

     

   

Gambar  12  

Kapilaritas  Naik   Kapilaritas  Turun     Jika  pipa  berbentuk  lingkaran  dengan  jari  jari  𝑟  maka  panjang  permukaan   zat  cair  di  dalam  pipa  sama  dengan  keliling  lingkaran  2𝜋𝑟     Resultan  gaya  kohesi  dan  adhesi  dalam  arah  vertikal  𝐹!  yang  mempegaruhi   tegangan  permukaan  zat  cair.  Yang  menarik  zat  cair  ke  atas  adalah   komponen  vertikal  dari  gaya  resultan  yaitu  𝐹! cos 𝜃     Berat  zat  cair  yang  dapat  di  tarik  sama  dengan  gaya  tegangan  permukaan   𝑤!"# = 𝐹! cos 𝜃     Tegangan  permukaan           Berat  air     𝑤!"# = 𝑚!"# 𝑔 ! 𝛾 = ! = 𝜌!"# 𝑉!"# 𝑔 !!"           2𝜋𝑟𝛾 = 𝐹! = 𝜌!"# ℎ!"# 𝐴!"# 𝑔   2𝜋𝑟𝛾 cos 𝜃 = 𝐹! cos 𝜃 𝑤!"# = 𝜌!"# ℎ!"# 𝜋𝑟 ! 𝑔   Substitusi     𝑤!"# = 𝐹! cos 𝜃 ! 𝜌!"# ℎ!"# 𝜋𝑟 𝑔 = 2𝜋𝑟𝛾 cos 𝜃 !!"# !"# !     ℎ!"# = ! ℎ!"#  

 

=

!!"# !!"# !! ! !! !"# ! !!"# !"

 

 

Jadi  tinggi  air  dapat  naik  di  dalam  pipa  kapiler  setinggi     2𝛾 cos 𝜃 ℎ!"# =   𝜌!"# 𝑟𝑔         c. Viskositas  dan  Kecepatan  Terminal     Viskositas  adalah  ukuran  kekentalan  fluida  yang  menyatakan  besar   kecilnya  gesekan  di  dalam  fluida     Semakin  kental  suatu  fluida  semakin  besar  gesekan  di  dalam  fluida   sehingga  semakin  suilt  fluida  untuk  mengalir  dan  semakin  sulit  juga  benda   bergerak  di  dalam  fluida  yang  kental.     Di  dalam  zat  cair  viskositas  adalah  akibat  gaya  kohesi  sedangkan  di  dalam   gas  adalah  akibat  dari  tumbukan  antara  molekul  gas.     Koefisien  viskositas    𝜂  adalah  ukuran  kekentalan  suatu  fluida  satuannya   adalah  𝑁𝑠𝑚!!  atau  Pascal  sekon     Jika  suatu  benda  bergerak  dengan  kelajuan  𝑣  di  dalam  suatu  fluida  dengan   koefisien  kekentalan  𝜂  maka  benda  tersebut  akan  mengalami  gaya  gesekan   sebesar     𝐹!"# = 𝑘𝜂𝑣     dimana  𝑘  adalah  suatu  konstanta  yang  bergantung  bentuk  geometris  benda   tersebut.  Untuk  benda  berbentuk  bola  𝑘 = 6𝜋𝑟  sehingga  gaya  geseknya   adalah     𝐹!"# = 6𝜋𝑟𝜂𝑣     Rumus  di  atas  disebut  rumus  Stokes  sesuai  dengan  penemunya  Sir  George   Stokes     Ketika  sebuah  kelereng  di  jatuhkan  (jatuh  bebas)  ke  dalam  suatu  fluida   dengan  koefisien  viskositas  𝜂  maka  kecepatan  akan  bertambah  besar,   karena  gaya  gesekan  di  dalam  fluida  berbanding  lurus  dengan  kecepatan   maka  gaya  gesekan  juga  makin  besar  sehingga  gerak  kelereng  di  perlambat   dan  pada  suatu  saat  kecepatan  kelereng  tetap  atau  konstan  dan  ini  disebut   kecepatan  terminal.     Gaya  yang  dialami  oleh  kelereng  di  dalam  fluida  adalah  gaya  berat,  gaya   gesekan  dan  gaya  apung  yang  berlawanan  dengan  arah  gaya  berat.  

 

 

Gambar  13       𝑤 𝑚! 𝑔 𝜌! 𝑔𝑉! 𝜌! 𝑔𝑉! − 𝜌! 𝑔𝑉! 𝜌! − 𝜌! 𝑔𝑉! 𝜌! − 𝜌! 𝑔 !! !!! !

! !! ! !

!!"# !! !!! !!! ! !!

! !

= 𝐹! + 𝐹!"# = 𝜌! 𝑔𝑉! + 6𝜋𝑟𝜂𝑣 = 𝜌! 𝑔𝑉! + 6𝜋𝑟𝜂𝑣 = 6𝜋𝑟𝜂𝑣 = 6𝜋𝑟𝜂𝑣

𝜋𝑟 !

= 6𝜋𝑟𝜂𝑣

   

=𝑣 =𝑣

    Kecepatan  terminal  benda  yang  berbentuk  bola  di  dalam  fluida  adalah     2𝑔𝑟 ! 𝑣= 𝜌! − 𝜌!   9𝜂