LAPORAN PRAKTIKUM PENGUKURAN TEGANGAN PERMUKAAN AIR DENGAN METODE TEKANAN MAKSIMUM GELEMBUNG (K.I.4)
A. Pendahuluan Tegangan permukaan adalah gaya adalah gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang bekerja pada permukaan zat cair zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu. Apabila F = gaya (newton) dan L = panjang (m), maka tegangan-permukaan, S dapat ditulis sebagai S = F/L. Tegangan permukaan zat cair diakibatkan karena gaya yang bekerja pada zat c air tersebut. Dalam keadaan diam, permukaan zat cair akan membuat gaya tarik ke segala arah, kecuali ke atas. Hal itulah yang menyebabkan adanya tegangan permukaan. B. Tujuan Percobaan 1. Dapat memahami pengertian dasar tegangan permukaan. 2. Dapat memperagakan metode penentuan tegangan permukaan. C. Dasar Teori Sejumlah pengalaman menunjukkan bahwa permukaan zat cair berperilaku seperti membran yang teregang karena tegangan, dan tegangan ini yang bekerja sejajar dengan permukaan, muncul dari gaya tarik antar molekul cairan itu. Sifat-sifat khas permukaan zat cair berhubungan dengan : 1. Kohesi dan Adhesi 2. Meniskus dan kapilaritas 3. Tegangan permukaan Kohesi dan adhesi
Kohesi dan adhesi memegang peranan penting dalam menentukan permukaan zat cair. Partikel-partikel dari zat cair dapat berpindah-pindah ke segala arah, dimana partikel-partikel yang saling berdekatan tarik-menarik saling mempengaruhi, tetapi tidak bercerai berai akibat gerak dan gaya tarik menariknya. Gaya tarik-menarik antara partikel-partikel dari zat yang sama disebut kohesi. Sedangkan gaya tarik menarik antara partikel-partikel z at yang berbeda disebut adhesi. Kohesi dan adhesi memegang peranan penting dalam menentukan bentuk permukaan zat cair. Meniskus dan kapilaritas
Karena sudut sentuh air terhadap kaca merupakan sudut lancip, θ < 90o, maka dalam pembuluh kaca permukaan air berbentuk cekung diatas. Sebaliknya dalam air raksa, permukaan air raksa berbentuk cembung. Permukaan zat cair dalam pembuluh ini disebut meniskus. Jika sebatang pembuluh kaca yang terbuka kedua ujungnya ditegakkan dengan sebuah ujungnya berada diatas permukaan air sedang ujung yang lain dibawah permukaan, maka permukaan air dalam pembuluh itu lebih tinggi daripada permukaan air diluar pembuluh (untuk air raksa lebih rendah). Gejala ini disebut kapilari tas, dan pembuluh semacam ini disebut pipa kapiler. Kapilaritas ini terantung kepada adhesi dan kohesi juga. Contoh air di dalam pembuluh gelas. Adhesi meyebabkan air naik pada dinding. Kohesi cenderung membuat permukaan sekecil-kecilnya, yaitu mendatar. Jadi kohesi menaikkan bagian tengah kolom air tersebut. Air ini naik sampai gaya tersebut diimbangi oleh berat air yang naik tadi. Tegangan Permukaan
Permukaan zat cair nampaknya bersifat seperti kulit yang tegang. Untuk lapisan permukaan zat cair, di atas permukaannya tidak terisi dengan molekul dari zat cair ini (jika di atasnya hampa atau peralihan dengan uapnya mendadak). Oleh sebab itu pada lapisan permukaan gaya kohesi antara molekul-molekul zat cair itu tidak terimbangi seperti halnya lapisan dibagian dalam. Hal ini menyebabkan adanya sifat yang istimewa pada permukaan yang dinamakan tegangan permukaan atau tegangan bidang batas. D. Metode Eksperimen 1. Alat dan Susunan Alat Alat-alat yang diperlukan : a) Pipa kapiler b) Bejana gelas c) Manometer terbuka d) Buret e) Tabung elenmeyer f) Mikroskop geser g) Bejana air h) Termometer i) Mistar Keterangan gambar K = Buret E = Tabung elenmeyer M = Manometer terbuka B = Bejana gelas C = Pipa kapiler
Susunan alat dalam percobaan ini ditunjukkan pada gambar 3. Kita dapat mencari harga tegangan permukaan ( H ) dari air, yaitu menyamakan tekanan-tekanan yang bekerja pada bejana B dan manometer M dalam keadaan setimbang. Dengan menurunkan air dari buret ke dalam botol elenmeyer E, tekanan udara dalam pipa kapiler C menjadi besar. Jika pada ujung pipa kapiler terjadi gelembung udara dengan jari-jari R, maka pada permukaan gelembung ini bekerja tekanan-tekanan :
dari atas = P , dari bawah terdiri dari tekanan hidrostatis = ρ2 g h2 , dengan “g” = percepatan gravitasi bumi tekanan udara luar = P B
tekanan tegangan permukaan =
dengan demikian : P =
+ ρ2 g h2 + P B
(1)
Tekanan ini maksimum pada waktu R minimum, yaitu sama dengan jari-jari pipa kapiler = r. Dengan keadaan setimbang , P adalah sama dengan tekanan pada titik-titik setinggi N pada manometer m, yaitu terdiri dari :
tekanan hidrostatis = ρ1 g h1
tekanan barometer = P B
Maka pada keadaan setimbang : ρ1 g h1 + P B = ρ1 g h1 =
+ ρ2 g h2 + P B
+ ρ2 g h2
(2)
Koefisien tegangan permukaan : H=
ρ1 h1 - ρ2 h2
(3)
ρ2 = massa jenis zat cair dalam bejana B ρ1 = massa jenis zat cair dalam manometer h1 = selisih tinggi permukaan zat cair dalam manometer h2 = selisih tinggi permukaan zat cair dengan ujung gelembung udara dalam pipa C 2. Tata laksana percobaan a) Pipa kapiler dilepaskan. Diberi tanda dengan garis (minimal 5 garis) dengan jarak 0,5 cm antar garis. Jarak antara garis dengan ujung pipa adalah h2. Pasang lagi pipa kapiler C.
b) Telah ditentukan h0 = kedudukan manometer pada kaki kanan, waktu pipa C belum dicelupan dan air dari K belum dialirkan (permukaan air pada kedua kaki manometer sama tingginya). c) Pipa kapiler C dipasang sedemikian dalam bejana B, sehingga bila bejana B diisi air maka pipa C akan tercelup. Isi bejana B dengan air perlahanlahan sampai ke garis batas paling bawah pada pipa C (h 2 = 0,5 cm). Buret diisi air sampai penuh. Hati-hati jangan sampai tumpah. d) Kran dibuka secara perlahan-lahan. Naiknya permukaan air diamati pada kaki terbuka manometer. Apabila naiknya tidak sampai maksimum kemudian turun, tanyakan ke asisten, mungkin ter jadi kebocoran pada sambungan selang. Pada saat jari-jari gelembung sama-sama dengan jari jari ujung pipa C, yaitu pada saat permukaan air pada kaki terbuka manometer berada pada posisi paling tinggi, baca skala (=h m). h1 dapat dicari hubungan h 1 = 2 (hm - h0). e) Temperatur air diukur di dalam bejana B (=t 2) dan dalam manometer M (=t1), kemudian massa jenis air dilihat dalam tabel (pada temperatur ini). Ulangi langkah “d” dan “e” sebanyak 5 kali. Tutup kran. f) Perlahan-lahan bejana B di isi dengan air sampai garis batas ke dua (h2 = 1 cm). Ulangi langkah “d” dan “e”. Demikian seterusnya sampai garis batas terakhir pada pipa C. g) Diameter pipa C di ukur dengan mikrometer mikroskop. Lubang pipa kapiler dihadapkan ke arah mikrometer mikroskop. Diameter pipa kapiler adalah selisih pembacaan skala benang salib mikroskop berimpit dengan kedua tepi lingkaran lubang. E. Analisa Data Persamaan (3) dapat ditulis menjadi : h1 =
h2
(4)
Buat grafik h1 vs h2. Tegangan permukaan H diperoleh titik potong grafik dengan sumbu h1. F. Data dan Perhitungan
Pengukuran jari-jari pipa kapiler dengan micrometer mikroskop
Pengukuran ke 1. 2. 3. 4. 5.
Pembacaan skala x
Pembacaan skala x’
Diameter=d=|x-x’|
Jari-jari=d/2
6,430 cm 6,431 cm 6,430 cm 6,433 cm 6,430 cm
6,412 cm 6,412 cm 6,411 cm 6,410 cm 6,412 cm
0,018 cm 0,019 cm 0,019 cm 0,023 cm 0,018 cm
0,0090 cm 0,0095 cm 0,0095 cm 0,0115 cm 0,0090 cm
̅ ̅ ̅ ̅ ∑( ̅) ̅ ̅ ̅ ̅ √ ̅ ̅ ̅ ( ) ) ( ) Untuk mencari nilai rata-rata jari-jari pipa kapiler :
Untuk mencari nilai ralat rata-rata jari-jari pipa kapiler : ∆
∆
∆
∆
∆ ∆
cm
Data-data pengamatan
Pengukuran ke 1. 2. 3. 4. 5.
h 2 (cm) 0,5 cm 1 cm 1,5 cm 2 cm 2,5 cm
h1(cm) 4,1 cm 4,4 cm 4,8 cm 5,7 cm 6 cm
t2 ( 27 27 27 27 27
t1 27 27 27 27 27
2
1 1 1 1 1
Perhitungan nilai H dengan persamaan (3) untuk 5 hasil pengamatan diatas Pengamatan ke
H
1 2 3 4 5
0,01620 Pa 0,01615 Pa 0,01568 Pa 0,02128 Pa 0,01575 Pa
1
1 1 1 1 1
Untuk nilai H rata-rata = (0,01620+0,01615+0,01568+0,02128+0,01575) / 5 = 0,01701 Pa Untuk mencari nilai ralat dengan menggunakan rumus standar deviasi : No
y
y2
1 2 3 4 5
0,01620 0,01615 0,01568 0,02128 0,01575
0,00026244 0,000260823 0,000245862 0,000452838 0,000248063
Σ
0,08506
0,001470026
Σ2
0,007235
0,007285
S
=
=
= =
= =
(∑) ∑ ()
= 0,0024 Pa Sehingga nilai H ± ∆H = (0,01701 ± 0,0024) Pa
Untuk nilai h1 = 0,041 ; 0,044 ; 0,048 ; 0,057; 0,058 Untuk nilai h2 = 0,005 ; 0,01 ; 0,015 ; 0,02 ; 0,025
Grafik h1 vs h2 : (meter) y
Grafik h1 vs h2
0.03 0.025 y = 1.0077x - 0.035
0.02 0.015 0.01 0.005 0 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
x (meter)
G. Pembahasan Pada praktikum kali ini, praktikan melakukan percobaan “Pengukuran tegangan permukaan air dengan metode tekanan maksimum gelembung” untuk memenuhi Tugas lab I karena data-data yang diperoleh akan digunakan untuk acuan sebagai asisten dalam melaksanakan Tugas lab I. Pada praktikum yang telah dilakukan, ditemukan beberapa kendala dalam melaksanakan praktikum tersebut yaitu sulitnya membuat air didalam manometer menjadi setimbang. Karena setelah selang dimasukkan ke dalam salah satu bagian manometer, akan terjadi kenaikan air walaupun naiknya air sangat sedikit. Kendala kedua yaitu alat buka tutup buret yang sering mengalami kebocoran, sehingga praktikan tidak bisa mengontrol jalan nya air dari buret ke tabung elenmeyer. Kendala yang ketiga yaitu kesulitan dalam menemukan penampang ujung pipa kapiler / pipet. Sehingga membutuhkan waktu yang lama. Kendala yang keempat yaitu dibutuhkan ketelitian dalam menentukan besarnya diameter ujung pipa kapiler. Dari percobaan yang telah dilakukan didapat data h 1 sebesar 4,1 cm; 4,4 cm; 4,8 cm; 5,7 cm; 6 cm. Sedangkan nilai h 2 yang diperoleh yaitu 0,5 cm; 1 cm; 1,5 cm; 2 cm; 2,5 cm. Data diatas memperlihatkan suatu kesebandingan yaitu semakin besar nilai h2 (tinggi pada pipa kapiler) maka semakin besar pula nilai h1 (selisih tinggi pada manometer). Untuk suhu yang terdapat pada manometer maupun pada bejana gelas relatif menunjukkan suhu yang sama yaitu 27o C. Untuk massa jenis cairan yang terdapat pada manometer dan bejana gelas adalah massa jenis air yaitu 1 gr/cm3. Pada pengukuran diameter ujung pipa kapiler, data yang diperoleh relatif sama hanya berbeda selisih +/- 0,002 cm. Hal ini dikarenakan pengukuran pada keadaan yang sama sebanyak 5 kali. Setelah dilakukan perhitungan didapat nilai jari-jari sebes ar 0,0097 cm.
Nilai dari h2 (selisih tinggi permukaan zat cair dalam manometer) diperoleh dengan cara mengalirkan air dari buret ke tabung elenme yer, sehingga udara akan terdesak keluar melalui pipa kapiler. Namun untuk mendapatkan nilai h 2 secara akurat dengan menahan laju udara hingga ke ujung pipa kapiler sebelum udara keluar. Karena apabila udara didalam pipa kapiler keluar (dibuktikan dengan timbulnya gelembung-gelembung udara) maka air yang telah naik secara maksimum pada salah satu bagian manometer akan turun, sehingga data yang didapat kurang akurat. Begitu juga pada salah satu bagian manometer yang lain. Untuk grafik h1 vs h2 diperoleh persamaan y = 1,0077x – 0,035 dengan gradian sebesar 1,0077. H. Kesimpulan Dari percobaan “Pengukuran tegangan permukaan air dengan metode tekanan maksimum gelembung” yang telah dilakukan, diperoleh beberapa kesimpulan yaitu :
Nilai h1 berbanding lurus dengan h 2 Semakin besar nilai h2 (tinggi pada pipa kapiler) maka semakin besar pula nilai h 1 (selisih tinggi pada manometer) Pada elemen suhu dan massa jenis diperoleh hasil yang relatif sama Untuk mendapatkan nilai h2 maksimum dengan menahan laju gelembung udara hingga ke ujung pipa kapiler dan jangan sampai keluar dari pipa kapiler
̅ ̅ ( )
Nilai H ± ∆H = (0,01701 ± 0,0024) Pa
I. Daftar Pustaka Sears, F.W., 1950, Mechanics, Heats and Sound, 2 nd ed., Cambridge, Addison Wesley Press http://id.wikipedia.org/wiki/Tegangan_permukaan
Yogyakarta, 24 September 2013 Praktikan
Sulistyo Oetomo Putro
