Bab II

KAPILARITAS(CAPILLARITY)(CAPILLARITY)

Oleh :

NISA NURINA VALERIE1406 201 809

Bab II. Kapilaritas (Capillarity)

II.1 Tegangan Permukaan dan Energi Bebas PermukaanII.2 Persamaan Young dan LaplaceII.3 Beberapa Percobaan dengan Soap FilmsII.4 Kenaikan Kapiler (Capillary Rise)II.5 Metode Maximum Bubble PressureII.6 Metode Drop WeightII.7 Metode Cincin (Ring Method)II.7 Metode Cincin (Ring Method)II.8 Metode Wilhelmy SlideII.9 Metode Berdasarkan Bentuk Tetesan atau Gelembung

a. Metode Pendant Dropb. Metode Sessile Drop atau Bubble Method

II.10 Dynamic Methods untuk Pengukuran Tegangan Permukaana. Flow Methodsb. Capillary Waves

II.11 Nilai Tegangan Permukaan dari Berbagai Metode

Contoh kapilaritas yang paling umum adalah meniskus dan tetesan yangterbentuk dari cairan di dalam udara atau di dalam cairan lain dan film tipisyang membentuk gelembung sabun.

Karena ini berhubungan dengan bentuk keseimbangan, kapilaritas mendudukitempat dalam kerangka termodinamika berhubungan dengan perilakumakroskopik dan statistik dari antarmuka dibandingkan dengan detail struktur

II.1 Tegangan Permukaan dan Energi Bebas Permukaan

makroskopik dan statistik dari antarmuka dibandingkan dengan detail strukturmolekularnya.

Tegangan permukaan merupakan sifat dari cairan terhadap udara sehinggamembuatnya bertindak seolah-olah dilapisi oleh selaput tipis.

Molekul di dalam cairan saling berinteraksi satu sama lain dengan molekul-molekul lain dari segala sisi, sedangkan molekul di sepanjang permukaan hanyadipengaruhi oleh molekul yang berada di bawahnya.

Interaksi molekul dalam zat cair diseimbangkan oleh gaya tarik yang sama kesegala arah.

Molekul pada permukaan cairan mengalami ketidakseimbangan gaya sehinggamuncul energi bebas pada permukaan tersebut.

Energi yang timbul pada antarmukaEnergi yang timbul pada antarmukadua fluida tersebut disebut sebagaienergi bebas permukaan.

Jika salah satu fluida berupa gasdengan cairan maka yang terukuradalah tegangan permukaan.

Jika permukaan yang diamati adalahantarmuka dua cairan maka yangterukur adalah tegangan antarmuka.

Salah satu cara untuk mengilustrasikan tegangan permukaan, , sebagai gaya persatuan panjang, adalah soap film datar yang diregangkan sepanjang kawatdengan panjang, l. Kawat akan ditarik ke arah dalam dari film tersebut oleh gayasebesar l. Kerja yang dilakukan sepanjang jarak, dx, adalah

apabila tegangan permukaan, , muncul sebagai kerja yang dilakukan per unitluas permukaan, maka dimana dA = l dx.

dxl=kerja

dA=kerjaluas permukaan, maka dimana dA = l dx.

Tegangan permukaan diukur dalam satuan SI, N/m atau J/m2, dan dalam satuancgs, dyne/cm atau erg/cm2.

dA=kerja

Ilustrasi kedua yang menyangkut soap film adalah gelembung sabun. Teganganpermukaan dianggap sebagai bentuk dari energi per satuan luas permukaan.

Dengan tidak adanya medan gravitasi, gelembung sabun berbentuk bulat, sebagaibentuk luas permukaan minimum untuk memberikan volume terkecil.

Sebuah gelembung sabun dengan jari-jari, r, energibebas permukaan totalnya adalah 4pipipipir2. Apabila jari-jari berkurang sebesar dr, maka energi bebaspermukaannya menjadi 8pipipipir dr.permukaannya menjadi 8pipipipir dr.

Karena penyusutan menurunkan energi permukaan,cenderung diseimbangkan dengan perbedaantekanan, P, yang melewati film, sehingga kerjaterhadap perbedaan tekanan P 4pipipipir2 dr sebandingdengan penurunan dari energi bebas permukaan.

Jadi, dapat disimpulkan bahwa semakin kecil gelmbung, maka tekanan udara didalam gelembung akan semakin besar dibandingkan dengan tekanan udara di luargelembung.

Beberapa gejala tegangan permukaan : Embun atau titik-titik air hujan

Tegangan permukaan memberikan bentukbulat, karena bentuk ini mempunyai luaspermukaan terkecil.

Pembentukan tetesan-tetesanAir keluar dari kran mengumpulkanmassanya sampai titik dimana teganganpermukaan tidak dapat menahannya padakran. Tegangan permukaan membentuktetesan yang bulat. Tetesan ini akan jatuhdan pecah menjadi tetesan-tetesan, karenaadanya gaya gravitasi.

Gelembung-gelembung sabunGelembung-gelembung tidak dapatterbentuk dari air biasa karena airmempunyai tegangan permukaan yangsangat tinggi, tetapi penggunaaansurfaktan dapat menurunkan teganganpermukaan.

EmulsiMinyak tidak akan bercampur dengan airsecara spontan, tetapi surfaktanmempermudah terbentuknya tetesan-tetesan kecil minyak dalam air, atausebaliknya.

Water StriderSerangga kecil dapat berjalan di atas airkarena beratnya tidak cukup untukmenembus permukaan air.

Benda mengapungJika diletakkan pelan-pelan, benda kecildapat mengapung di atas permukaan airwalaupun densitasnya bebarapa kali lebihbesar daripada densitas air.

II.2 Persamaan Young dan Laplace

Persamaan Young dan Laplace menguraikan perbedaan tekanan, P, padameniskus antara dua cairan. Umumnya, perlu untuk menentukan jari-jarilengkungan, R1 dan R2, untuk menggambarkan suatu permukaan lengkung.

( )( )( )PWork

Work

dzxy

dxydyx

dxydyxxydyydxxA

=

+=

+=++=

222

111

atau

atau

PWork

Rdzydy

Ry

dzRdyy

Rdzxdx

Rx

dzRdxx

dzxy

==

+

+

==

+

+

=

Young

Laplace

Persamaan dasar dari kapilaritas

+=

21

11RR

P

II.3 Beberapa Percobaan dengan Soap Films

Soap film yang diregangkan sepanjang kawat.Berbentuk planar, karena tekanan di kedua sisi kawat sama.

Ilustrasi dari persamaan Young dan Laplace.Ilustrasi dari persamaan Young dan Laplace.Hubungan antara tekanan di dalam gelembung sabun bulatdan jari-jari kelengkungannya.

Soap film silinder.Tekanan di kedua sisinya sama, sehingga P-nya nol.

II.4 Kenaikan Kapiler (Capillary Rise)Apabila cairan membasahi bejana, makapermukaan cairan akan berbentuk cekung,dimana tekanan dalam cairan lebih kecil daripadatekanan pada fasa gas.

Apabila cairan tidak membasahi bejana, makapermukaan cairan akan berbentuk cembung.

Misalnya :Tabung yang berisi air memperlihatkan kenaikankapiler positif, dimana air menempel pada sisitabung yang menyebabkan permukaannya sedikitnaik.

Tabung yang berisi raksa memperlihatkankenaikan kapiler negatif, dimana raksa ditariksejauh mungkin dari dinding tabung yangmenyebabkan permukaannya sedikit turun.

rgh

rP

2

2

=

=

Karena kedua jari-jari lengkungan sebanding satu sama lain dan terhadap jari-jari kapiler, maka persamaan Young-Laplace menjadi

rgh cos2=

Apabila cairan bertemu dengan dinding kapiler pada suatu sudut , dan jikameniskus masih dianggap berbentuk bulat, maka R2 = r/cos , karena R1 = R2,maka persamaan menjadi

Masih disumsikan bahwa kapiler adalah potonganpenampang lintang berbentuk lingkaran sehinggabentuk meniskus digambarkan seperti gambar disamping.

R1 mengayun pada bidang kertas, dan R2 beradategak lurus dengan kertas, sehingga diperoleh

Persamaan tersebut juga digunakan untuk metodeWilhelmy Slide, yaitu dengan menurunkannyamenjadi

( ) ( )

++

+=

2122

32'1

'

'1

"

yx

y

y

ygy

sin12

=

a

h

Berat total dari kolom cairan dalam kapiler dihitung dengan persamaan

Diasumsikan bahwa meniskus menggantung pada dinding kapiler dan beratnyadidukung oleh komponen vertikal dari tegangan permukaan, cos , dikalikandengan lingkar penampang lintang kapiler, 2pipipipir.

pi cos2 rW =

Metode ini biasanya dianggap sebagai metode yang paling akurat dibandingkanmetode yang lainnya, sebagian karena teori telah terpecahkan secara seksama dansebagian karena variabel percobaan dapat dikontrol secara mudah.

Untuk hasil yang paling akurat, cairan perlu membasahi dinding kapilersedemikian rupa sehingga tidak ada ketidakpastian dalam sudut kontaknya.Karena ketransparanannya dan dibasahi oleh hampir semua cairan, makabiasanya digunakan gelas kapiler. Gelas harus sangat bersih, dan kapilernyaharus vertikal secara akurat.

II.5 Metode Maximum Bubble Pressure

Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukaan dengan caramengukur tekanan maksimum dari tiap gelembung. Pengukurannya tidaktergantung pada sudut kontak dan dapat dilakukan dengan cepat

II.6 Metode Drop Weight

Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukaan cairan-udara danantarmuka cair-cair, yaitu dengan mengukur berat per tetesan yang jatuh.

Tetesan adalah sejumlah kecil volume zat cair, yang secara keseluruhan atauhampir keseluruhan dikelilingi oleh permukaan bebas.

Cara termudah untuk membentuk tetesan adalah dengan membiarkan zat cairuntuk mengalir perlahan dari tabung vertikal yang berdiameter kecil. Ketikauntuk mengalir perlahan dari tabung vertikal yang berdiameter kecil. Ketikabakal tetesan mencapai ukuran tertentu, akan mengakibatkan ketidakstabilansehingga tetesan tersebut akan memisahkan dirinya sendiri.

Caranya adalah dengan membentuk tetesan cairan pada ujung tabung, danmembiarkannya jatuh ke dalam bejana sampai cukup terkumpul, sehingga beratper tetesan dapat ditentukan secara akurat.

Berdasarkan hukum Tate, berat per tetesan adalah

Cara yang umum dipakai adalah menerapkan faktor koreksi, f,

pirW 2=frW pi2'=Cara yang umum dipakai adalah menerapkan faktor koreksi, f,

Nilai tegangan permukaan yang diperoleh,

Perlu dicatat bahwa tidak hanya faktor koreksi yang sangat besar, tetapi jari-jari ujung tetesan juga tergantung pada sifat alamiah dari cairan.

Jadi, tidak benar untuk berasumsi bahwa berat tetesan untuk dua cairan adalah perbandingan tegangan permukaan masing-masing cairan ketika digunakan ukuran ujung tetesan yang sama.

frmgpi

2

=

frW pi2'=

II.7 Metode Cincin (Ring Method)

Metode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukan atau teganganantarmuka, dimana yang diukur adalah tarikan maksimum cincin padapermukaan cairan.

Alat yang digunakan adalah tensiometer, yaitu alat dengan cincin platinum-iridium yang bergerak secara vertikal terhadap cairan dalam tabung. Cincindigantung dan dibenamkan dalam zat cair kemudian ditarik ke atas perlahandigantung dan dibenamkan dalam zat cair kemudian ditarik ke atas perlahanmelalui permukaan zat cair. Tegangan permukaan diukur berdasarkan gayamaksimum yang dibutuhkan untuk menarik cincin keluar dari permukaancairan.

piRWW cincintot 4+=

==

r

RVRf

pf ,

3

II.8 Metode Wilhelmy Slide

Pengamatan dasarnya adalah bahwa plat tipis, seperti kaca mikroskop ataupotongan platinum foil, akan mendukung meniskus yan beratnya terukur secarastatis atau oleh pemisahan yang sangat akurat dengan persamaan :

Cara yang digunakan adalah dengan menaikkan tinggi cairan secara bertahapsampai menyentuh plat yang tergantung pada timbangan Kenaikan berat akanterukur. Persamaan umumnya adalah

pWW platetot +=

terukur. Persamaan umumnya adalah

pW

= cos

Cara tersebut dilakukan untuk menggantung platsedemikian rupa sehingga terbenam sebagian dan untukmenentukan antara keadaan yang kering dan yang terbenamdalam cairan, maka berat meniskusnya ditimbang.

Cara ini bermanfaat terutama dalam mempelajari adsorpsipermukaan atau monolayer, dimana perubahan teganganpermukaan dapat terukur.

II.9 Metode Berdasarkan Bentuk Tetesan atau Gelembung

Metode Pendant Drop

Metode Sessile Drop atau Bubble Method Metode Sessile Drop atau Bubble Method

II.9 Metode Berdasarkan Bentuk Tetesan atau Gelembung

Tetesan-tetesan atau gelembung-gelembung kecil cenderung berbentuk bulakarena kekuatan permukaan tergantung pada luas permukaannya (kuadratdimensi linier), sedangkan penyimpangan akibat efek gravitasi tergantung padavolume (pangkat tiga dimensi linier).

Ketika efek gravitasi dan tegangan permukaan dibandingkan, maka teganganpermukaan dapat ditentukan dari pengukuran bentuk tetesan atau gelembungpermukaan dapat ditentukan dari pengukuran bentuk tetesan atau gelembungyang dihasilkan.

Metode Pendant DropMetode ini digunakan untuk mengukur tegangan permukaan dan teganganantarmuka dari suatu tetesan berdasarkan bentuk geometri atau ukuran darisuatu tetesan yang kemudian dianalisis secara optik.

Kuantitas kebergantungan bentuk digambarkan sebagai S = ds/de, de adalahdiameter equatorial dan ds adalah diameter yang terukur pada jarak de naikdari ujung tetesan. Parameter ukuran bentuk, b, dikombinasikan dengan dengan mendefnisikan H = (de/b)2. Maka

Keuntungan dari metode ini adalah penggunaan volume cairan yang sangatkecil, dapat mengukur tegangan antarmuka yang sangat rendah dan dapatmengukur bahan yang dicairkan dengan mudah.

( ) Hgd

bdgdgb e

e

e

2

2

22

/

===

Metode Sessile Drop atau Bubble MethodMetode ini telah digunakan untuk mengukur tegangan permukaan sebagaifungsi waktu, misalnya tegangan permukaan dari logam-logam yang dicairkandan tegangan antarmuka cair-cair.

Metode ini mengukur tegangan permukaan dan densitas denganMetode ini mengukur tegangan permukaan dan densitas denganmenempatkan tetesan pada permukaan padatan dan mengukur sudut kontakoptiknya.

II.10 Dynamic Methods untuk Pengukuran Tegangan Permukaan

Flow Methods

Capillary Waves Capillary Waves

II.10 Dynamic Methods untuk Pengukuran Tegangan PermukaanUntuk mempelajari efek relaksasi permukaan pada skala waktu yang sangatkecil, maka metode dinamika ini diperlukan.

Flow MethodsPersamaannya adalah

dimana adalah densitas cairan, adalah percepatan volume, adalah

( )( )2222

222

3/51624/3714

pi

rr

rbapp +

+=

panjang gelombang, r adalah jumlah jari-jari minimum dan maksimum, dan badalah perbedaan keduanya.

Metode oscillating jet ini tidak cocok untuk mempelajari antarmuka cairan-udara, dan metode alternatifnya adalah berdasarkan bentuk dari kolom jatuhcairan pada tegangan permukaannya.

Karena hydrostatic head, maka percepatan liniernya meningkat dengan h,jaraknya menjauh dari nozzle, luas penampang lintang kolom harus menurununtuk kebutuhan keseimbangan bahan. Efek tegangan permukaan ini adalahuntuk mencegah penyusutan penampang lintang.

Capillary WavesPanjang gelombang dari suatu gelombang kecil (ripples) pada permukaan cairan tergantung pada tegangan permukaan. Berdasarkan persamaan yang diberikan oleh Lord Kelvin,

dimana adalah percepatan propagasi, adalah panjang gelombang, dan

pi

pi

22

2 +=g

2

2

2

3

42 pi

pi

g=dimana adalah percepatan propagasi, adalah panjang gelombang, dan adalah periode dari ripples.

Gelombang terukur sebagai standing waves, dan keadaannya kemungkinan menjadi statis. Unsur-unsur individu dari cairan dalam suatu daerah permukaan mengalami gerakan melingkar, dan permukaan secara berurutan diperluas dan dimampatkan.

Konsekuensinya, muncul damping walaupun dengan cairan murni sekalipun, bahkan lebih dengan lautan atau permukaan film dimana perluasan diikuti oleh perubahan tegangan permukaan dan bahan penghubung antar lapisan permukaan

.

II.11 Nilai Tegangan Permukaan dari Berbagai Metode

Data yang diberikan pada Tabel II-9 telah dipilih dengan tujuan sebagaipersediaan data untuk digunakan sebagai acuan terhadap nilai teganganpermukaan dalam mempelajari antarmuka secara umum.

Sebagai tambahan, sejumlah nilai-nilai juga dimasukkan untuk unsur yang takbiasa untuk menyediakan suatu gambaran umum tentang bagaimana sifat inijuga mencakup .juga mencakup .

Banyak dari acuan yang dikutip dalam tabel berisi sangat banyak data tambahandari nilai tegangan permukaan pada suhu yang berbeda dan untuk cairan laindengan jenis yang sama.

Terima Kasih ... .