Tegangan Permukaan, Meniskus dan Kapilaritas

Tegangan permukaan (γ) dalam larutan sabun didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan (F) dan panjang permukaan (d) dimana gaya itu bekerja. Secara matematis dapat ditulis γ = F/d.

Tegangan permukaan suatu cairan berhubungan dengan garis gaya tegang yang dimiliki permukaan cairan tersebut. Pada gambar di atas terlihat molekul A (di dalam cairan) mengalami gaya kohesi dengan molekul-molekul di sekitarnya dari segala arah, sehingga molekul ini berada pada keseimbangan (resultan gaya nol). Namun, molekul B (di permukaan) tidak demikian. Molekul ini hanya mengalami kohesi dari partikel di bawah dan di sampingnya saja. Resultan gaya ke bawah akan membuat permukaan cairan sekecil-kecilnya. Akibatnya, permukaan cairan menegang seperti selaput yang tipis.

Gejala Meniskus dan Kapilaritas
Raksa dituangkan ke dalam suatu tabung kaca dan air pada tabung kaca lainnya, kemudian akan didapatkan bentuk kedua permukaan seperti yang digambarkan di bawah ini.

Gambar sebelah kiri adalah air yang membasahi dinding kaca, sedangkan gambar sebelah kanan adalah air raksa yang tidak membasahi dinding kaca.
Jika pada lengkungan air dan raksa  ditarik garis lurus, maka garis itu akan membentuk sudut Ө terhadap dinding vertikal tabung kaca. Sudut Ө tersebut dinamakan sudut kontak. Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk antara permukaan zat cair dengan permukaan dinding pada titik persentuhan zat cair dengan dinding.
Peristiwa tersebut terjadi akibat adanya gaya kohesi lebih besar daripada gaya adhesi antara partikel air dengan partikel kaca FK. Sehingga resultan kedua gaya tersebut arahnya keluar. Agar tercapai keadaan yang seimbang, permukaan air yang menempel pada dinding kaca harus melengkung ke atas.
Kelengkungan permukaan suatu zat cair di dalam tabung disebut meniskus. Karena bentuknya cekung maka meniskus air dalam bejana kaca dinamakan meniskus cekung. Besar sudut kontak untuk meniskus cekung lebih kecil dari 90o Sedangkan, kelengkungan permukaan raksa dalam tabung merupakan gaya kohesi antara partikel-partikel raksa. Gaya kohesi FA lebih kecil daripada gaya adhesi antara partikel raksa dengan partikel kaca Fk, sehingga resultan kedua gaya mengarah ke dalam. Agar tercapai keseimbangan, maka permukaan raksa yang menempel pada dinding kaca harus tegak lurus terhadap gaya resultan FR. Akibatnya, permukaan kaca melengkung kebawah dan disebut sebagai meniskus cembung yang sudutnya lebih besar dari 90o.
Apabila jari-jari tabung (r), massa jenis zat cair (𝜌), besarnya sudut kontak (Ө), tegangan permukaan (γ) , kenaikan zat cair setinggi (y), dan permukaan zat cair bersentuhan dengan tabung sepanjang keliling lingkaran, maka besarnya gaya ke atas adalah hasil kali komponen-komponen tegangan permukaan yang vertikal dengan keliling dalam tabung. Secara matematis dituliskan (Haryadi, 2006: 156):

Karena

Dengan menyamakan gaya ke atas dan ke bawah maka diperoleh:

Keterangan  :

y  = naik/turunnya zat cair dalam kapiler (m)
γ  = tegangan permukaan (N/m)
Ө = sudut kontak  (derajat )
ρ = massa jenis zat cair ( kg/m3)

r= jari-jari pipa (m)

Sumber : mempelajari-fisika

Baca Artikel Terkait: