Tegangan Permukaan
Penyebab Timbulnya Tegangan Permukaan (ɣ)
Tegangan permukaan zat cair diakibatkan karena gaya yang bekerja pada zat cair tersebut. Di bagian dalam cairan, sebuah molekul dikelilingi oleh molekul lain di sekitarnya. Oleh karena molekul ditarik oleh gaya yang sama besar ke segala arah, maka resultan gaya yang bekerja pada molekul tersebut sama dengan nol.
Sebaliknya molekul yang berada tepat di bawah permukaan zat cair, memiliki resultan gaya yang bekerja pada molekul tersebut tidak sama dengan nol. Hal ini disebabkan ada gaya resultan yang arahnya ke bawah, karena di bagian atas molekul tersebut tidak dikelilingi oleh molekul lain. Dengan demikian lapisan atas seakan-akan tertutup oleh lapisan selaput elastis yang ketat.
Selaput ini cenderung menyempit sekuat mungkin. Jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi jarum, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya penuh yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum tetap di permukaan air tanpa tenggelam.
Fenomena Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan berhubungan dengan peristiwa yang disebut kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis) dan adhesi (gaya tarik menarik antara molekul tidak sejenis).
Lihatlah klip kertas di atas yang berada diatas air dan tidak tenggelam meskipun memiliki massa jenis lebih besar dibandingkan dengan massa jenis air.
Dalam sebagian besar cairan, setiap molekul ditarik merata ke segala arah oleh molekul cairan tetangganya, menghasilkan gaya total dari nol.
Molekul-molekul di permukaan tidak memiliki molekul lain di semua sisinya dan oleh karena itu ditarik ke dalam. Hal ini menciptakan beberapa tekanan internal dan memaksa permukaan cair untuk kontraksi ke daerah disekitar.
Tegangan permukaan pun bertanggung jawab atas bentuk tetesan cairan. Meskipun mudah cacat, tetesan air cenderung ditarik ke dalam bentuk bola dengan kekuatan kohesif dari lapisan permukaan.
Dengan tidak adanya kekuatan lain, termasuk gravitasi, tetes hampir semua cairan akan berbentuk bulat sempurna. Bentuk bulat meminimalkan "ketegangan dinding" yang diperlukan dari lapisan permukaan sesuai dengan hukum Laplace.
Definisi Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan adalah gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang bekerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu.
Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk meregang sehingga permukaannya nampak seolah dilapisi oleh suatu lapisan kulit tipis.
Menentukan Tegangan Permukaan secara Pipa Kapiler
Cara penentuan tegangan permukaan secara pipa kapiler, antara lain :
Sampel (misalnya minyak) dimasukkan ke dalam piala gelas dan diukur suhunya.
Pipa kapiler dimasukkan ke dalam piala gelas yang berisi sampel. Sampel akan naik ke pipa sampai ketinggian tertentu.
Kenaikan sampel dalam pipa kapiler diukur dari permukaan sampel dalam piala gelas.
Kapilaritas disebabkan oleh interaksi molekul-molekul di dalam zat cair. Di dalam zat cair, molekul-molekulnya dapat mengalami gaya adhesi dan gaya kohesi. Gaya kohesi adalah tarik-menarik antara molekul-molekul sejenis di dalam suatu zat cair, sedangkan gaya adhesi adalah tarik-menarik antara molekul dengan molekul lain yang tidak sejenis, yaitu bahan wadah dimana zat cair berada.
Apabila adhesi lebih besar dari kohesi seperti pada minyak dengan permukaan piala gelas, minyak akan berinteraksi kuat dengan permukaan piala gelas, sehingga minyak membasahi kaca dan juga permukaan atas cairan akan melengkung (cekung). Keadaan ini dapat menyebabkan cairan dapat naik ke atas oleh tegangan permukaan yang arahnya ke atas sampai batas keseimbangan gaya ke atas dengan gaya berat cairan tercapai. Jadi minyak dapat naik ke atas dalam suatu pipa kecil yang biasa disebut pipa kapiler.
Jika sudut kontak antara cairan dengan tabung kapiler lebih dari 90 derajat maka bentuk permukaan cairan tertekan ke bawah yang disebut meniskus cekung.
Perhatikan gambar di bawah ini:
warna merah sudut kontak kurang dari 90 derajat, warna biru sudut lebih dari 90 derajat.
Rumus/persamaan menghitung tinggi rendahnya atau naik turunnya permukaan zat cair pada pipa kapiler adalah:
Keterangan:
h = tinggi permukaan zat cair (m)
ɣ la = tegangan permukaan (N/m)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
r = jari-jari (m)
ɡ = percepatan gravitasi (m/s2)
Θ = sudut kontak
Sudut Kontak
Didefinisikan :
Gaya Kohesi : gaya tarik menarik antara partikel sejenis.
Gaya Adhesi : gaya tarik menarik antar partikel yang tak sejenis
Tinjau : (a) air dalam pipa kapiler, dan (b) air raksa dalam pipa kapiler
(b)
Gaya Kohesi antar partikel-partikel air lebih besar dari gaya adhesi antara partikel air-partikel gelas,sehingga resultan gaya yang bekerja mengarah ke luar gelas.
Akibatnya air di dalam kaca tabung melengkung ke atas, kelengkungan zat cair dalam tabung dinamakan meniskus. Dan untuk kasus ini adalah meniscus cekung; zat cair membasahi dinding.
Gaya Kohesi antara partikel raksa (Hg) lebih kecil dibandingkan dengan gaya adhesi antara partikel Hg dengan dinding kaca. Sehingga resultan gaya yang bekerja pada permukaan zat cair mengarah ke dalam gelas. Akibatnya raksa dalam tabung kaca melengkung ke bawah, sehingga terjadi meniskus cembung; dan Hg tidak membasahi dinding kaca.
Rumus dan Perhitungan
Tinjau gaya tegangan permukaan yang dialami oleh kawat yang dicelupkan ke dalam air sabun. Terdiri dari dua kawat, kawat yang lurus, posisi horizontal (bawah) cenderung bergerak ke atas karena pengaruh tarikan gaya permukaan air sabun. Larutan sabun mempunyai dua permukaan, sehingga gaya tegangan permukaan bekerja sepanjang 2L (=d), tegangan permukaan (ɣ) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan (F) dan panjang permukaan (d) dimana gaya itu bekerja.
Sehingga secara sistematis, dapat dirumuskan sebagai
berikut:
γ=Fd=F2L
Keterangan :
γ = tegangan permukaan (N/m)
d = panjang permukaan (m)
F = gaya (N)
Contoh Soal :
Sebatang kawat dibengkokkan seperti huruf 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 kawat 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
Ditanya : tegangan permukaan lapisan sabun ?
Jawab :
F = m x g
= 2 x 10-4 kg x 9,8
= 2,94 x 10-3 N
γ = F/d
= F/2l
= 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
Manfaat Tegangan Permukaan
Dalam mempengaruhi penyerapan obat pada bahan pembantu padat pada sediaan obat.
Penetrasi molekul melalui membran biologis.
Pembentukan dan kestabilan emulsi dan dispersi partikel tidak larut dalam media cair untuk membentuk sediaan suspensi.
