TEGANGAN PERMUKAAN CAIRAN - USU Librarylibrary.usu.ac.id/download/ft/tkimia-Hendra3.pdf · Sekarang...

TEGANGAN PERMUKAAN CAIRAN DENGAN METODE DROP OUT DAN METODE BUBLE

M. HENDRA S. GINTING, ST Ir. NETTI HERLINA,MT

Fakultas Teknik Jurusan Teknik Kimia

Universitas Sumatera Utara

Tegangan permukaan cairan (γ) adalah kerja yang dilakukan untuk

memperluas permukaan cairan dalam satuan luas. Tegangan permukaan cairan dapat diukur dengan cara:

1. cara drop out 2. cara buble pressure 3. tensiometer 4. cara capilary rise

1. Metode Drop Out

Drop yang menggantung dari tip (buihan clinging) memanjang ketika tumbuh lebuh besar karena variasi tekanan hidrostatis ∆P kadang – kadang bisa diperhatikan dibandingkan dengan yang diberikan oleh kurvatur pada apeks.seperti dalam kasus meniscus, adalah mudah menuliskan persamaan :

W = γ / dx atau W = γ dA

Dalam bentuk persamaan

)1(....................)/(

2

2

22

Hgde

bdegdegb ρ

βρ

βργ ∆

=∆−

=∆−

=

Dimana dalam kasus sekarang , parameter B tanpa dimensi adalah negatif. Pada umumnya tidak mudah untuk mengukur B secara langsung , tetapi sebagai bentuk variabel yang menentukan itu berhubungan dengan yang lain yang penentuannya leb mudah. Dalam kasus pendant drop, Andreas dkk…, merasakan bahwa kuantitas dependen bentuk yang paling mudah diukur adalah S= ds/de , seperti ditunjukkan oleh gambar berikut ini :

2002 digitized by USU digital library 1

ds

de de

(b)

(a)

θ (d)

(c)

Keterangan :

a. Hanging Drop c. Hanging Buble c. Sessile Drop d. Sessile Buble de adalah diameter ekuatorial dan ds adalah diameter yang diukur pada jarak de dari dasar drop. Parameter ukuran yang sulit diukur b dalam persamaan diatas dikombinasikan dengan B menentukan kuantitas rapinya : H = - β (de / b)2

Dengan demikian :

)2.........(..............................)/(

2

2

22

Hgde

bdegdegb ρ

βρ

βργ ∆

=∆−

=∆−

=

Hubungan antara kuantitas bentuk dependen H dan kuantitas S bentuk dependen yang bisa diukur secara eksperimen kemudian ditentukan secara empiris, dengan memakai beberapa tetes air pendant. Serangkaian nilai 1/H terhadap nilai S yang cukup akurat telah diperoleh oleh Neiderhauser dan Bartell. Ini diperoleh oleh suatu prosedur integrasi numerik dengan memakai tabel Bashfort dan Adams dan yang didasarkan pada persamaan (1). Beberapa tabel pelengkap jenis Bashfort dan Adams juga dihitung, dan hasilnya untuk β=-0,45 telah ditabulasikan dalam tabel 1.1. Nilai 1/Hnya sebagai fungsi S = ds / de . peneliti menunjukkan bahwa untuk alasan – alasan praktis, ukuran tip (puncak) akan sedemikian dimana r/a adalah sekitar 0,5 atau kurang.


Andreas dkk, telah mengukur variasi dengan waktu tensi permukaan larutan sodium stearat, dan urutan khusus bentuk tetesan sebagai larutan yang tua ditunjukkan dalam gambar dibawah ini :

(a) age = 10 sec γ (b) age = 60 sec γ

(c) age = 120 sec γ (d) age = 1800 sec γ

Gambar (II)

Metode Pendant drop adalah metode yang sangat luas dipakai, yang hanya membutuhkan sejumlah kecil cairan dan bisa dipakai kesituasi pengukuran yang sulit secara eksperimenpada suhu tinggi ataupun dengan bahan reaktif. Dengan peralatan optik yang baik, itu baik untuk persepuluhan persen.


Tabel 1.1

Solusi gambar (II) untuk β = -0,45

Ф X/b Z/b

0.099944 0.199551 0.298488 0.396430 0.493058 0.588070 0.681175 0.772100 0.860590 0.946403 1.029319 1.109130 1.185644 1.258681 1.328069 1.393643 1.455242 1.512702 1.565856 1.614526 1.658523 1.697641 1.731652 1.760310 1.783338 1.800443 1.811310 1.815618 1.813050 1.803321 1.789207 1.761593 1.729517 1.690226

0.099834 0.198673 0.295547 0.389530 0.479672 0.565464 0.645954 0.720657 0.789108 0.850958 0.905969 0.954013 0.995064 1.029190 1.056642 1.077347 1.091895 1.100530 1.103644 1.101667 1.095060 1.084311 1.069933 1.052460 1.032445 1.010466 0.987123 0.963039 0.938868 0.915293 0.893023 0.872791 0.855344 0.841424

0.004994 0.019911 0.044553 0.078600 0.121617 0.173072 0.232352 0.298779 0.371635 0.450175 0.533469 0.621322 0.712480 0.806454 0.902619 1.000413 1.099333 1.198946 1.298886 1.398856 1.498630 1.598044 1.697000 1.795458 1.893432 1.990986 2.088223 2.185279 2.282314 2.379495 2.476982 2.574912 2.673373 2.772393

2. Metode Buble kasus sesile drop dan buble drop adalah simetris , seperti yang digambarkan pada gambar (1), tetapi pemakaian yang pertama adalah lebih umum dalam penentuan tensi permukaan, dan pembahasan sekarang berada pada istilah tersebut. Portee dengan memakai tabel bashfortdan Adams, telah membuat perhitungan perbedaan ∆ antara h 2 /2r 2 , dimana r adalah radius ekuatorial dan h menunjukkan jarak dari apeks kebidang ekuatorial. Variasi ∆ dengan h/r bisa disesuaikan secara akuratdengan memakai persamaan empiris : ∆ = 0,3047 (h3/r3) (1 - 4h2/r2) ………………… (3)


Wheeler dan kawan – kawannya memberikan beberapa detail eksperimen dan diskusi berikutnya. Metode ini dikatakan sebaik 0,2 %. Pemakaian persamaan (3) memang membutuhkan drop yang sangat besar dan tidak memberikan cek internal terhadap kemungkinan iregularitas kontur drop karena, katakanlah pembahasan yang tidak teratur yang mengakibatkan menjadi bukan figur revolusi. Prosedur alternatif telah diusulkan oleh Smolders dan Dyufis. Dari defenisi persamaan berikutnya adalah : Sekarang , walaupun b sulit ditentukan, tabel Bashfort dan Adams memberikan (Xc/b) sebagai fungsi dari β dimana Xc adalah radius ekuatorial, sehingga persamaan (4) dapat ditulis :

)4.....(..............................2

βργ gb∆

=

karena Xc bisa ditentukan cukup akurat, masalah menurun kepenentuan β , dan ini

)5.......().........(βfbXe =

2

2

)]([ βργfgxc∆

=

dilakukan dengan membandingkan profil drop dengan serangkaian profil untuk beberapa nilai β, f(β) dibaca dari tabel yang sama, dan γ dihitung dari persamaan (5). Keakuratan 0,1% diklaim. Sebagai contoh dari aplikasinya, metode dipakai oleh nutting dan Long untuk mengikuti variasi dengan waktu tensi permukaan sodium laurate. Metode ini juga telah dinyatakan penting untuk pengukuran tensi permukaan logam lebur. Itu telah dipakai juga dalam penentuan tenci interfacial elektrolit mercuri encer. Kasus dari drop yang sangat besar dan buble adalah mudah karena hanya satu radius kurvatur (yang dalam bidang gambar) yang dipertimbangkan. Persamaan ini dapat ditulis menjadi :

)6..(........................................)1( 2/312

+

=∆yygyn

γρ

Atau

2/322 )1(/2ρ

ρ+

=dydp

ay

Dimana ρ = dy/dx. Integrasi memberikan :

)7(........................................)1(

12/122

2

Cay

++−

=ρ

Dimana h menunjukkan jarak dari apeks ke bidang ekuatorial, kemudian pada y =h, ρ = ∞, dan persamaan (7) menjadi :


2/122

2

2

2

)1(1ρ+−

=−ah

ay

Selanjutnya, pada y=0, ρ = ∞, yang dari situlah yang berikutnya dimana h2/a2=1 atau h=a.

)8..(........................................2

2gbργ ∆=

Hasil yang sangat sederhana ini adalah terlepas dari nilai sudut kontak karena konfigurasi yang dilibatkan adalah hanya antara bidang ekuatorial dan apeks. 2.1. Tegangan permukaan menyebabkan Pertambahan Tekanan Didalam

gelombang atau Tetesan Zat Cair.

Tegangan permukaan menyebabkan suatu perbedaan tekanan antara gelembung sabun atau tetesan zat cair bagian dalam dan bagian luar. Suatu gelembung sabun terdiri permukaan film berbentuk bola yang sangat rapat. Dengan suatu lapisan tipis dan diantara zat cair. Tegangan permukaan menyebabkan film cenderung untuk melakukan pengusutan, tetapi sebagaimana gelembung menyusut, sebegitu juga ia menekan udara didalam, menambah tekanan bagian dalam , ke titik yang mencegah pengusutan lebih lanjut. Kita dapat memperoleh hubungan antara tekanan jari – jari gelembung.

Pertama kita perkirakan bahwa disini todak ada tekanan eksternal ( luar ). Selanjutnya kita mempertimbangkan pusat ekuilibirium pada satuh paruh gelembung sabun tersebut. Pada permukaan dimana paroh ini bergabung dengan paroh atas, membentuk dua tindakan , yang atas menekan tegangan permukaan dan yang bawah menekanuntuk mendukung udara didalam paroh atas. Jika radius (jari-jari) dari permukaan berbentuk bola adalah R, bundaran pada lingkaran sepanjang tegangan permukaan adalah 2µR (perkiraan bahwa ketebalan gelembung sangatlah kecil, kita mengabaikan perbedaan antara jari-jari inner atau outer). Jumlah tekanan pada tegangan permukaan untuk masing – masing permukaan (inner dan outer) adalah γ = 2 µ R, sehingga jumlah tekanan dari tegangan permukaan adalah (2 γ) (2 µ R). tekanan ke udara adalah tekanan pada waktu ρ pada bidang µR2 pada lingkaran. Untuk menghasilkan tekanan ini menjadi nol, kita harus membuat :

(2 γ 2 µ R) = ρ( µR2)

atau

)1.(..............................4Rµρ =

Sekarang tekanan luar dari gelembung secara umum adalah nol. Tetapi dari permulaan kita dapat melihat bahwa persamaan (1) memberikan perbedaan antara tekanan didalam dan diluar. Jika tekanan diluar adalah ρa maka : ρ - ρa = 4 γ (gelembung sabun)……………….( 2 ) R


Untuk suatu tetesan zat cair, yang hanya mempunyai satu permukaan film, perbedaan antara tekanan dari zat cair dan udara luar adalah paroh yang untuk gelembung sabun. ρ - ρa = 2γ (tetasan zat cair)………………...(3) R Maka sejauh inilah yang sudah kita bicarakan tentang permukaan film pada batasan antara cairan dan gas. Pengaruh tegangan permukaan tambahan terjadi ketika film yang seperti itu bertemudengan permukaan yang padat, seperti didinding dari suatu tampungan. 2.2. Mekanisme Cairan Angka – angka percobaan dari tegangan permukaan

Cairan yang berhubungan ke air

Temperatur ( o C )

Tegangan Permukaan (m N/m atau dyne/cm)

Benzena 20 28.9 Karbon Tetraklorida 20 26.8 Etanol 20 22.3 Gliserin 20 63.1 Air raksa 20 465.0 Minyak zaitun 20 32.0 Sabun cair 20 25.0 Air 0 75.6 Air 20 72.8 Air 60 66.2 Air 100 58.9 Oksigen -193 15.7 Neon -247 5.15 Helium -269 0.12

Tekanan permukaan tersebut pada ciran khusus biasanya berkurang

sebagaimana temperatur bertambah, tabel memperlihatkan keuntungan ini pada air. Sebagaimana temperatur bertambah dan molekul zat lain berpindah dengan lebih cepat, interaksi antara mendapat pengaruh yang mengurangi mosi merekadan mengurangi tegangan permukaan. Untuk mencuci pakaian sampai bersih, air harus ditekankan sampai lubang – lubang yang sangat kecil diantara serat. Hal ini membutuhkan pertambahan bidang permukaan air, yang menjadi sulit dilakukan karena tegangan permukaan. Pekerjaan ini bisa dilakukan karena tegangan permukaan. Pekerjaan ini bisa dilakukan lebih mudah dengan menurunkan nilai dari γ. Karena airyang sangat panas (γ = 58,9mN/m pada 100o C) lebih baik untuk pencucian dari pada air suam kuku (γ=72,8mN/m pada 20 oC) dan air busa (γ=25,0 mN/m pada 30oC) masih lebih baik. 2.3. Tekanan didalam suatu gelembung Tegangan permukaan menyebabkan suatu perbedaan tekanan antara gelembung bagian dalam dan bagian luar sabun atau tetesan zat cair. Gelembung sabun terdiri dari dua permukaan film berbentuk bola dengan lapisan tipis diantara cairan, karena tegangan permukaan, film tersebut cenderung menyusut dalam suatu upaya untuk meminimalkan aerah permukaan mereka. Tetapi sebagaimana gelembung mengerut , begitu juga ia menekan udara didalamnya, akhirnya


menambah tekanan bagian dalam pada tingkat yang mencegah pengusutan lebuh lanjut. Kita dapat menarik suatu gambaran untuk kelebihan tekanan didalam suatu gelembung pada persamaan radius R dan tegangan permukaan γ pada zat cair tersebut. Pertama anggap bahwa tidak ada tekanan dari luar. Setiap setengah dari gelembung sabun adalah berada dalam ekualibirium. Tekanan – tekanan pada permukaan flat sirkular dimana setengah ini bergabung dengan setengah atasuntuk menambah tekanan pada tegangan permukaan dan mengurangi tekanan untuk menekan udara didalam setengah bagian atas. Bundaran dari lingkaran sepanjang tegangan permukaan adalah 2 µ R (kita mengabaikan perbedaan kecil diantara jari – jari bagian dalam dan bagian luar) jumlah tekanan tegangan permukaan untuk masing – masing permukaan (inner dan outer) adalah γ = 2 µ R, untuk jumlah dari (2 γ) (2 µ R). tekanan udara menekan kebawah, tetapi tekanan resultan pada tekanan udara hanya pada tekanan bawah saja, kesimpulannya adalah waktu tekanan µR2 , bidang lingkaran dimana kedua paroh gelembung bertemu. Untuk penjumlahan tekanan ini menjadi nol, kita harus membuat : (γ) (2 µ R) = ρ (µ R2 ) ρ = 4 µ R Secara umum, tekanan luar gelembung bukanlah nol, tetapi persamaan diatas masih memberikanperbedaan antara tekanan outside dan inside (bagian dalam dan luar). Jika tekanan outside adalah tekanan atmosfer ρa, maka ρ - ρa = 4 γ (gelembung sabun) R Suatu tetesan zat cair hanya mempunyai satu film permukaan. Karena itu tekanan ketegangan permukaan adalah γ (2 µ R), setengah adalah untuk gelembung sabun : ρ - ρa = 2γ (tetasan zat cair) R Semakin kecil radius (jari – jari) dari gelembung atau tetesan, semakin besarperbedaan tekanannya. Suatu tekanan yang besar dibutuhkan untuk menekan air sampai menjadi celah – celah yang kecil, karena air harus membentuk radius R yang paling ditekan.


DAFTAR PUSTAKA

1. Adams,Warthur, “Physical Chemistry of surfaces”, Edisi IV, Awiley Interscience Publication, California, 1982.

2. Anderson,S dan J.B.Pendry,”Physical Chemistry”, Newyork,1972. 3. Penuntun Praktikum,”Kimia Fisika” Teknik Kimia-USU 2000.


TEGANGAN PERMUKAAN CAIRAN - USU Librarylibrary.usu.ac.id/download/ft/tkimia-Hendra3.pdf · Sekarang...

Documents

Transcript of TEGANGAN PERMUKAAN CAIRAN - USU Librarylibrary.usu.ac.id/download/ft/tkimia-Hendra3.pdf · Sekarang...