Laporan Praktikum Tegangan Permukaan Zat Cair

Daftar isi

1. Latar belakang
2. Tujuan Percobaan
3. Dasar Teori
4. Metodologi Percobaan
5. Data dan Analisa
6. Kesimpulan
7. Daftar Pustaka
8. Bagian Pengesahan
9. Lampiran

MENGUKUR TEGANGAN PERMUKAAN AIR, LARUTAN GARAM DAPUR, DAN LARUTAN SABUN

I. Latar belakang

Banyak fenomena-fenomena alam yang kurang kita perhatikan akan tetapi fenomena-fenomena tersebut mempunyai hubungan dengan adanya tegangan permukaan. Sering terlihat peristiwa-peristiwa alam yang tidak diperhatikan dengan teliti misalnya tetes-tetes zat cair pada pipa kran yang bukan suatu aliran, laba-laba air yang berada di atas permukaan air, gelembung-gelembung sabun, pisau silet yang diletakkan perlahan-perlahan diatas permukaan zat cair yang terapung, dan naiknya air pada pipa kapiler. Hal tersebut dapat terjadi karena adanya gaya-gaya yang bekerja pada permukaan zat cair atau pada batas antara zat cair dengan bahan lain.

Dalam kehidupan sehari-hari tegangan permukaan cairan banyak dimanfaatkan dalam hubungan dengan kemampuan cairan tersebut membasahi benda. Deterjen sintetis misalnya di desain untuk meningkatkan kemampuan air membasahi kotoran yang melekat pada pakaian, yaitu dengan menurunkan tegangan permukaan sehingga hasil cucian menjadi bersih. Demikian pula alkohol dan jenis obat antiseptik lainnya, selain dibuat agar memiliki daya bunuh kuman yang baik juga memiliki tegangan permukaan rendah agar membasahi seluruh permukaan luka.Tegangan permukaan bervariasi antara berbagai cairan. Air memiliki tegangan permukaan yang tinggi dan merupakan agen pembasah yang buruk karena air membentuk droplet, misalnya tetesan air hujan pada kaca depan mobil. Permukaan air membentuk suatu lapisan yang cukup kuat sehingga beberapa serangga dapat berjalan diatasnya (Suminar, 2001).

Oleh karena itu dilakukan percobaan penentuan tegangan permukaan pada suatu larutan agar dapat memahami dan menganalisa fenomena-fenomena yang berhubungan dalam kehidupan sehari-hari dengan mempelajari tentang tegangan permukaan.

II. Tujuan Percobaan

1. Memahami prinsip percobaan tegangan permukaan
2. Mengukur tegangan permukaan air, larutan garam dapur, dan larutan sabun

III. Dasar Teori

Di dalam zat cair suatu molekul dikelilingi oleh molekul-molekul lainnya yang sejenis dari segala arah sehingga gaya tarik-menarik molekul (kohesi) adalah sama. Pada permukaan zat cair terjadi suatu gaya tarik-menarik antar molekul zat cair dengan molekul udara (gaya adhesi). Gaya adhesi lebih kecil bila dibandingkan dengan gaya kohesi, sehingga molekul di permukaan zat cair cenderung untuk masuk ke dalam. Tetapi hal ini tidak terjadi karena adanya gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan zat cair untuk mengimbangi. Sedangkan tegangan antar permukaan karena gaya adhesi antara zat cair untuk mengimbangi gaya kohesi. Sedangkan tegangan antar permukaan selalu lebih kecil dari tegangan permukaan (Lachman, 1989).

Tegangan permukaan juga merupakan sifat fisik yang berhubungan dengan gaya antarmolekul dalam cairan dan didefinisikan sebagai hambatan peningkatan luas permukaan cairan. Awalnya tegangan permukaan didefinisikan pada antar muka cairan dan gas. Namun, tegangan yang mirip juga ada pada tegangan antar muka cairan-cairan, atau padatan, dan gas. Tegangan semacam ini secara umum disebut dengan tegangan antar muka (Giancoli, 2001).

Molekul-molekul yang berada dalam fasa cair seluruhnya akan dikelilingi oleh molekul-molekul dengan gaya tarik-menarik yang sama ke segala arah. Sedangkan molekul pada permukaan mengalami tarikan ke dalam rongga cairan karena gaya tarik-menarik di dalam rongga cairan lebih besar daripada gaya tarik-menarik oleh molekul uap yang di atas permukaan cairan. Hal ini berakibat permukaan cenderung mengkerut untuk mencapai luas yang sekecil mungkin (Halliday, 1991).

Tegangan yang terjadi pada air akan bertambah dengan penambahan garam-garam anorganik atau senyawa-senyawa elektrolit, tetapi akan berkurang dengan penambahan senyawa organik tertentu antara lain adalah sabun. Di dalam teori ini dikatakan bahwa penambahan emulgator akan menurunkan dan menghilangkan tegangan permukaan yang terjadi pada bidang batas sehingga antara kedua zat cair tersebut akan mudah bercampur (Mawarda, 2009).

Zat cair tidak dapat mengembang dengan bebas akibatnya zat cair akan membentuk permukaan batas atau antar muka dengan zat cair lainnya atau dengan gas. Ditinjau dari segi kimia fisikanya, antar muka dengan sangat rumit. Molekul-molekul yang ada di bagian dalam suatu zat cair saling bertolakan karena rapatan (lose parking). Molekul-molekul pada permukaan zat cair lebih rendah kerapatannya dan tarik-menarik satu sama lain. Karena pengaruh dari molekul sekitarnya tidak ada, efek mekaniknya adalah permukaan itu mengalami tegangan. Jika secarik permukaan yang panjang dibuat pada antarmuka, gaya-gaya yang sama besarnya dan berlawanan arahnya, masing-masing sebesar γ timbul pada arah tegak lurus pada potongan itu dan sejajar dengan permukaan tersebut. Persamaan tegangan permukaan ini adalah

\begin{equation} \gamma=\frac{F}{2L} \tag{1} \end{equation}

dimana γ adalah koefisien tegangan permukaan dengan satuan Newton per meter, F adalah gaya tegangan permukaan dengan satuan Newton, dan L adalah panjang benda pada permukaan selaput fluida dengan satuan meter. Koefisien γ dapat pula dipandang sebagai gaya per satuan panjang permukaan (White, 1988).

Berikut ini adalah beberapa contoh tegangan permukaan dari beberapa zat: (Praweda, 2000).

IV. Metodologi Percobaan

4.1 Alat dan Bahan

1. Jangka sorong berfungsi untuk mengukur diameter dalam cincin (1 buah)
2. Dinamometer 0,1 N berfungsi untuk mengukur gaya berat cincin (W) saat belum tercelup dan ketika akan lepas dari permukaan air (F_t) (1 buah)
3. Gelas beker berfungsi sebagai wadah air atau larutan (3 buah)
4. Laboratory stand berfungsi untuk menaik-turunkan gelas beker (1 buah)
5. Statif berfungsi untuk menyangga dan sebagai tempat menggantung dinamometer dan cincin (1 buah)
6. Cincin metal berfungsi sebagai variabel bebas atau untuk dicelupkan dalam larutan atau air saat percobaan (3 buah)
7. Air berfungsi sebagai variabel yang akan diuji nilai tegangan permukaannya (500 ml)
8. Larutan garam berfungsi sebagai variabel yang akan diuji nilai tegangan permukaannya (500 ml)
9. Larutan sabun berfungsi sebagai variabel yang akan diuji nilai tegangan permukaannya (500 ml)

4.2 Gambar Alat

—

4.3 Langkah Kerja

4.4 Metode Grafik

V. Data dan Analisa

5.1 Data Percobaan

5.2 Analisa Data

Prinsip percobaan ini adalah besarnya gaya yang diperlukan untuk melepaskan suatu cincin dalam suatu cairan yang besarnya gaya tersebut sebanding dengan tegangan permukaan atau tegangan antar muka dari cairan. Hal ini dilakukan dengan cara mencelupkan suatu cincin yang dikaitkan dengan dengan dinamometer kedalam suatu cairan (air biasa, larutan garam, larutan sabun, dll). Ketika benda dicelupkan kemudian diangkat dari permukaan cairan akan terbentuk suatu gelembung yang menandakan adanya gaya (F_t) yang diberikan cairan kepada cincin tersebut. Diameter cincin dan gaya beratnya diukur kemudian variabel-variabel ini dimasukkan dalam persamaan untuk menentukan koefisien tegangan permukaan cairan.

Rekomendasi Laporan lain:

• Laporan Hukum Ohm
• Laporan Jembatan Wheatstone
• Laporan Generator AC

Tegangan permukaan dapat menjelaskan kenapa benda-benda dapat mengapung pada permukaan cairan, karena pada permukaan cairan terdapat gaya tarik-menarik antar partikel-partikel cairan (kohesi). Akibatnya pada permukaan cairan seolah-olah terdapat suatu selaput atau lapisan yang tegan yang dapat menahan benda-benda. Jika benda diletakkan ke permukaan cairan secara vertikal, maka lapisan tersebut akan robek yang menyebabkan benda tenggelam.

Faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan antara lain adalah temperatur, zat terlarut, dan massa jenis. Tegangan permukaan zat cair berkurang secara linier dengan bertambahnya temperatur, karena meningkatnya energi kinetik dari molekul. Pada temperatur tertentu yang merupakan titik kritis tegangan permukaan adalah nol. Tegangan permukaan suatu zat cair dipengaruhi oleh zat terlarut, garam-garam organik menaikkan tegangan permukaan zat cair. Hal ini terjadi gaya tarik-menarik antara molekul zat terlarut dan pelarut lebih besar daripada gaya tarik-menarik antara sesama molekul pelarut sehingga konsentrasi zat terlarut di permukaan mempunyai nilai yang lebih kecil. Massa jenis ikut berpengaruh juga dalam tegangan permukaan, semakin rapat suatu cairan maka nilai tegangan permukaannya semakin besar. Hal ini terjadi karena pada cairan yang massa jenisnya tinggi tarikan antar molekulnya menjadi sangat besar yang menyebabkan gaya yang diberikan juga semakin besar, karena gaya berbanding lurus dengan koefisien tegangan permukaan maka semakin besar yang bekerja semakin besar juga koefisien tegangan permukaannya.

Ada juga zat-zat yang dapat memperkecil tegangan permukaan cairan, zat-zat ini disebut surfaktan, contohnya adalah sabun. Fungsi surfaktan yang pertama adalah untuk menurunkan tegangan permukaan, adanya surfaktan pada permukaan menyebabkan gaya adhesi antara zat cair dan udara meningkat, sehingga tegangan permukaan menurun. Yang kedua adalah untuk meningkatkan kelarutan suatu zat, dengan adanya surfaktan tegangan antar muka dua zat cair yang tidak bercampur akan menurun, akibatnya gaya adhesi antara dua zat cair meningkat dan kelarutannya pun meningkat. Dan yang terakhir adalah sebagai pembasah, karena dapat menurunkan sudut kontak antara permukaan padat dan cairan pembasah, semakin kecil sudut kontak artinya semakin mudah dibasahi.

Diameter benda yang dicelupkan pada permukaan tidak berpengaruh terhadap besarnya nilai tegangan permukaan cairan tetapi berpengaruh terhadap gaya yang diberikan oleh permukaan cairan. Semakin besar diameternya maka semakin besar juga gaya yang diberikan (F ∼ d), hal ini dapat dilihat pada tabel percobaan 5.1.2, 5.1.3, dan 5.1.4. Pada tabel percobaan 5.1.1 didapatkan diameter cincin kecil, sedang, dan besar rata-rata masing-masing sebesar d_k = (3,0776 ± 0,0109) 10^-2 m, d_s = (5,0296 ± 0,0041) 10^-2 m, d_b = (5,8784 ± 0,0038) 10^-2 m dengan kesalahan relatif dan ketelitian masing-masing sebesar 0,35%, 0,081%, 0,065%, dan 99,65%, 99,92%, 99,94%. Berdasarkan data ini didapatkan nilai koefisien tegangan permukaan pada air biasa dengan perhitungan manual sebesar: γ_k = (0,0579 ± 0,0023) N/m, γ_s = (0,0526 ± 0,0028) N/m, γ_b = (0,0553 ± 0,0031) N/m. Larutan garam sebesar: γ_k = (0,0404 ± 0,0057) N/m, γ_s = (0,0393 ± 0,0023) N/m, γ_b = (0,0412 ± 0,0023) N/m. Pada larutan sabun sebesar: γ_k = (0,0269 ± 0,0043) N/m, γ_s = (0,0266 ± 0,0036) N/m, γ_b = (0,0249 ± 0,0023) N/m dengan kesalahan relatif seluruhnya < 10%.

Pada tabel percobaan 5.1.2, 5.1.3, dan 5.1.4 didapatkan nilai gaya (F_t) yang lebih besar pada diameter cincin kecil, sedang, besar dalam air biasa. Hal ini terjadi karena massa jenis (tingkat kerapatan) air lebih besar dibandingkan dengan larutan garam dan larutan sabun sehingga tarikan antar molekul nya menjadi sangat besar (karena jaraknya dekat), yang menyebabkan gaya yang diberikan menjadi besar juga (ρ ∼ F_t). Urutan gaya yang diberikan cairan (F_t) dari yang terbesar ke yang terkecil adalah air biasa, larutan garam, dan larutan sabun.

Tegangan permukaan yang dihasilkan dari berbagai cairan pada perhitungan manual berbeda-beda. Pada air biasa, larutan garam, dan larutan sabun didapatkan koefisien tegangan permukaan rata-rata nya sebesar γ_air\biasa = (0,0552 ± 0,0027) N/m, γ_garam = (0,0402 ± 0,0036) N/m, γ_sabun = (0,0261 ± 0,0034) N/m dengan kesalahan relatif dan ketelitian masing-masing sebesar 4,96%, 8,91%, 13,01% dan 95,04%, 91,09%, 86,99%. Hasil ini menunjukkan korelasi antara gaya (F_t) dengan nilai koefisien tegangan permukaan γ. F_t pada air biasa mempunyai nilai terbesar sehingga nilai γ juga mempunyai nilai terbesar (F_t ∼ γ). Dari hasil perhitungan ini dapat diketahui bahwa nilai koefisien tegangan permukaan air biasa > larutan garam > larutan sabun.

Nilai koefisien tegangan permukaan juga dicari menggunakan metode grafik, berikut ini adalah 3 gambar grafik dari air biasa, larutan garam, dan larutan sabun:

gradien pada gambar grafik air, larutan garam, dan larutan sabun didapatkan masing-masing sebesar m = (3,2624 ± 0,0695) N/m, m = (2,5936 ± 0,0695) N/m, m = (1,4654 ± 0,0760) N/m. Kemudian nilai dari gradien ini dimasukkan ke dalam persamaan garis dan didapatkan nilai dari koefisien tegangan permukaan air biasa, larutan garam, dan larutan sabun masing-masing sebesar γ_air\biasa = (0,0519 ± 0,0111) N/m, γ_garam = (0,0432 ± 0,0111) N/m, γ_sabun = (0,0229 ± 0,0040) N/m dengan kesalahan relatif dan ketelitian masing-masing sebesar 21,30%, 25,63%, 18,25%, dan 78,70%, 74,37%, 81,75%.

Menurut literatur dari fisika dasar karya Praweda tahun 2000 nilai koefisien tegangan permukaan air, larutan garam, dan larutan adalah sebesar 0,0728 N/m, 0,04125 N/m, dan 0,0250 N/m. Hasil pada percobaan ini berbeda dengan literatur karena berbagai faktor kesalahan yang dilakukan selama percobaan, yaitu kesalahan dalam pengukuran diameter cincin, pengukuran gaya pada skala dinamometer, suhu pada ruangan, volume air yang tidak sama, dan kesalahan dalam perhitungan.

VI. Kesimpulan

1. Prinsip percobaan tegangan permukaan adalah gaya yang dibutuhkan untuk melepas cincin dari permukaan zat cair akan berbanding lurus dengan tegangan permukaan zat cair tersebut dan akan berbanding terbalik dengan panjang permukaan yang bersentuhan dengan cairan.
2. Koefisien rata-rata tegangan permukaan (γ):

1. Perhitungan manual:
   γ_air\biasa = (0,0552 ± 0,0027) N/m
   γ_garam = (0,0402 ± 0,0034) N/m
   γ_sabun = (0,0261 ± 0,0034) N/m
2. Perhitungan grafik:
   γ_air\biasa = (0,0519 ± 0,0111) N/m
   γ_garam = (0,0432 ± 0,0111) N/m
   γ_sabun = (0,0229 ± 0,0040) N/m

VII. Daftar Pustaka

• Giancoli, D.C., 2001. Fisika Dasar. Jakarta: Erlangga.
• Halliday, D., 1991. Fisika Dasar Jilid I. Jakarta: Erlangga.
• Lachman, P., 1989. Fisika Mekanika Klasik. Jakarta: Esis.
• Mawarda, B., 2009. Konsep Fisika. Bandung: ITB.
• Praweda, A., 2000. Fisika untuk Universitas. Jakarta: Erlangga.
  
• Suminar, P., 2001. Fisika Dasar Edisi 3 Jilid I. Yogyakarta: Graha ilmu.
• White, W., 1988. Fisika Jilid I. Jakarta: Erlangga.

VIII. Bagian Pengesahan

—

IX. Lampiran