TEGANGAN PERMUKAAN
alfiah indriastuti
1
TEGANGAN PERMUKAAN Tegangan permukaan merupakan fenomena menarik yang terjadi pada zat cair (fluida) yang berada pada keadaan diam (statis). Tegangan permukaan cairan (γ) adalah kerja yang dilakukan suntuk memperluas permukaan cairan dalam satuan luas. Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair cenderung untuk menegang sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air.
Gaya tarik molekul-molekul dalam cairan adalah sama ke segala arah, tetapi molekumolekul pada permukaan cairan lebih tertarik ke dalam cairan. Hal ini disebabkan oleh jumlah molekul dalam fase uap lebih sering daripada faase cair. Akibatnya, zat cair selalu berusaha mendapatkan luas permukaan terkecil, karena itu cairan cenderung mengambil bentuk bulat. Di bagian atas tidak ada molekul cairan lainnya, karena molekul cairan saling tarik menarik satu dengan lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dipermukaan 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 seolaholah tertutup oleh selaput elastis yang tipis. Fenomena dikenal dengan istilah tegangan permukaan. Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik. Gaya tarik molekul-molekul dalam cairan adalah sama ke segala arah, tetapi moleku-molekul pada permukaan cairan lebih tertarik ke dalam cairan. Hal ini disebabkan oleh jumlah molekul dalam fase uap lebih sering daripada faase cair. Akibatnya, zat cair selalu berusaha mendapatkan luas permukaan terkecil, karena itu cairan cenderung mengambil bentuk bulat. Di bagian atas tidak ada molekul cairan lainnya, karena molekul cairan saling tarik menarik satu dengan lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dipermukaan
2
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. Fenomena dikenal dengan istilah tegangan permukaan. Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik.
Molekul Air Saling Tarik Menarik Efek permukaan dapat dinyatakan dalam bahasa fungsi Helmholt dan Gibbs. Hubungan antara fungsi-fungsi ini dan luas permukaan adalah kerja yang diperlukan untuk mengubah sejumlah tertentu luas ini dan luas permukaan adalah kerja yang diperlukan untuk mengubah sejumlah tertentu luas ini dan kenyataan bahwa pada kondisi berbeda dA dan dG sama dengan kerja yang dilakukan dalam mengubah energi sistem. Kerja yang dilakukan dalam mengubah sangat kecil d luas permukaan suatu sampel sebanding dengan d (dw = do). Koefisien disebut dengan tegangan permukaan (erg/cm2 atau J/m2). Pada volume dan temperatur tetap, kerja pembentukan permukaan dapat dikenali dengan perubahan fungsi Helmholtz (Atkins, 1993) yang dinyatakan dengan dA = d. Karena fungsi Helmholtz berkurang (d < 0), maka secara alamiah permukaan cenderung untuk menyusut atau menkerut dan menyebabkan permukaan cairan seakan-akan menjadi tegang (Sukardjo, 1999). Jadi, tegangan muka adalah gaya (dyne) yang bekerja sepanjang 1 cm pada permukaan zat cair. Besarnya gaya ke bawah akibat tegangan permukaan diukur. F = 4R Keterangan:
3 = tegangan muka = nilai sebesar 3,14 R = jari-jari cincin F = gaya untuk memisahkan cairan Pada saat cincin lepas, dapat dituliskan persamaan : F1 = F2 F1 = 4R Karena tegangan permukaan merupakan perbandingan antara Gaya tegangan permukaan dengan satuan panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah Newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter (dyn/cm). 1 dyne/cm = 10-3 N/m = 1 mN/m Metode untuk Pengukuran tegangan permukaan atau tegangan antar muka dapat dilakukan dengan dua cara tergantung mana yang mau diukur. Metode yang pertama yaitu Metode Kenaikan Kapiler yang hanya dapat digunakan untuk mengukur tegangan permukaan tidak bisa untuk mengukur tegangan antar muka. Metode yang kedua yaitu metode tersiometer Du-Nouy bisa digunakan untuk mengukur tegangan permukaan ataupun tegangan antar muka. Prinsip dari alat ini adalah gaya yang diperlukan untuk melepaskan suatu cincin platina iridium yang dicelupkan pada permukaan sebanding dengan tegangan permukaan atau tegangan antar muka dari cairan tersebut (Sukarjo, 2002). Persamaan Tegangan Permukaan Dalam membantu menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita tinjau sebuah kawat yang dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang berbentuk lurus dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut bisa digerakkan (lihat gambar di bawah).
Contoh Praktikum Dalam Menentukan Tegangan Permukaaan Cairan
4
Jika kawat ini dimasukan ke dalam larutan sabun, maka setelah dikeluarkan akan terbentuk lapisan air sabun pada permukaan kawat tersebut. Karena kawat lurus bisa digerakkan dan massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya tegangan permukaan pada kawat lurus sehingga kawat lurus bergerak ke atas (perhatikan arah panah). Untuk mempertahankan kawat lurus tidak bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat lurus. Emulsifier atau zat pengemulsi didefinisikan sebagai senyawa yang mempunyai kemampuan aktivitas pemukaan (surface activity agents) sehingga dapat menurunkan tegangan permukaan (surface tension) cairan. Suhu mempengaruhi nilai tegangan permukaan. Umumnya ketika terjadi kenaikan suhu, nilai tegangan permukaan mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena ketika suhu meningkat, molekul cairan bergerak semakin cepat sehingga pengaruh interaksi antar molekul cairan berkurang. Akibatnya nilai tegangan permukaan juga mengalami penurunan.
