ZAT DAN KALOR
FISIKA DASAR
BAB 5 ZAT CAIR (FLUIDA)Dalam bab ini akan dibahas, antara lain
:
1. Masa jenis
2. Tekanan, prinsip pascal & archimides
3. Tegangan permukaan
4. Viskositas
WUJUD ZAT
Zat bermacam-macam wujudnya :
Padat :Bentuknya tetap padat, menempati ruang, volumenya tetap
dan ruangnya rapat serta memiliki partikel yang rapat pulaCair
:
Bentuknya berubah-ubah, mempunyai ruang dan volume. Ada dua
macam : 1. zat cair yang mengalir
2. zat cair yang diam
G a s : Bentuknya tidak dapat dilihat, tapi dapat dirasakan, ex
CH4, CH3, CH2, CH, O2. N2 NH4OH, dll.
ZAT CAIR (FLUIDA)
Yang dimaksud fluida ialah zat-zat yang dapat mengalir dan dapat
mengambil bentuk tempat yang diisinya. Jadi fluida suatu wujud
benda yang tidak mempunyai bentuk yang tetap dan dapat mengalir.
Zat yang termasuk fluida adalah zat cair, udara dan gas.
Berdasarkan pengamatan biasa dapat dibedakan antara gas dan zat
cair, dimana gas tidak mempunyai permukaan sedangkan zat cair
mempunyai permukaan. Gas tidak mempunyai volume tetap tetapi
mengembang dan mengisi segala bentuk ruang yang ditempati, zat cair
mempunyai volume yang tetap.
Fluida tak bergerak adalah fluida dalam keadaan diam atau fluida
statis. Fluida tak bergerak misalnya zat zair yang terdapat dalam
wadah. Kerapatan atau massa jenis
Definisi : massa zat per satuan volume, atau dirumuskan :
m = (.VV = A.hm = (.A.h
Satuannya : dalam sistem MKS : kg/m3, contoh rapat jenis air
1.000 kg/m3
dalam sistem cgs : g/cm3 , contoh rapat jenis air : 1 g/cm3Tabel
5-1 Rapat Jenis Beberapa Bahan
Bahan( (g/cm3)Bahan( (g/cm3)
Aluminium
Baja
Benzena
Besi
Emas
Es2,7
7,8
6,9
7,8
19,3
0,92Gliserin
Kuningan
Perak
Platina
Raksa
Tembaga1,26
8,6
10,6
21,4
13,6
8,9
Bobot per mililiterFI ed III menyebutkan : Bobot per mililiter
suatu zat cair ialah bobot dalam gram per mililiter zat cair pada
suhu 20oC yang ditimbang diudara
Lebih lanjut disebutkan : Bobot per mililiter zat cair dalam
gram dihitung dengan membagi bobot zat cair dalam gram yang mengisi
piknometer pada suhu 20o C
Kapasitas piknometer ditetapkan dengan dasar bobot 1 liter air
pada suhu 20oC adalah 997,18 gram jika ditimbang diudara, dengan
menggunakan piknometer.
Bobot Jenis (Specific Gravity)Farmakope Indonesia juga
menyebutkan Bobot jenis suatu zat ialah perbandingan bobot zat
terhadap air volume sama, yang ditimbang di udara pada suhu yang
sama
Dirumuskan dengan persamaan :
karena m = V x maka (pada suhu yang sama)
Karena bobot jenis merupakan suatu perbandingan (rasio) antara
masa jenis dan masa jenis, maka bobot jenis tidak mempunyai satuan
atau tanpa dimensi Alat untuk mengukur bobot jenis, piknometer,
neraca hidrostatik, neraca mohr (wesphal), Areometer
(densimeter).Tekanan dalam fluida
Tekanan adalah besarnya gaya yang bekerja pada satuan luas
permukaan.
Tekanan hidrostatik adalah tekanan yang disebabkan oleh fluida
statis atau fluida tak bergerak.
Besarnya tekanan dapat diketahui melalui persamaan :
Besarnya tekanan pada titik P yang terletak di dasar tabung
dapat diketahui melalui persamaan sebagai berikut :
Sedangkan besarnya tekanan hidrostatis dapat diketahui melalui
persamaan :
Contoh 1 Massa jenis air di dalam tabung 1 g/cm3.Tentukanlah
tekanan hidrostatis di titik yang berada pada kedalaman 20 cm dari
permukaan air, dimana g = 10 m/det2Jawab :
P = ( g.h = 103.kg/m3 x 0,2.m x 10 m/det2 = 2 .103
(kg.m/det2)/m2 = N/m2 atau dalam satuan cgs : 1 g/cm3 x 20 cm x
1000 cm/det2 = 20.103 (g.cm/det2) = dyne/cm2Jika tekanan udara luar
ikut diperhitungkan maka besarnya tekanan pada satu titik di dalam
fluida dapat diketahui melalui persamaan sebagai berikut :
PB = Po + (.g.h
Satuan Tekanan
Satuan SI untuk gaya adalah N, untuk luas bidang A adalah m2
sehingga satuan tekanan (P) adalah N/m2 atau N.m(2 atau pascal
(Pa)
Untuk keperluan lain seperti cuaca digunakan satuan tekanan yang
lain, yakni atmosfer (atm), cm(raksa (cmHg) dan millibar (mb)
1 mb = 0.001 bar, sedang 1 bar = 105 Pa1 atm = 76 cmHg = 1,01 x
105Pa =1,01 bar
Hukum Utama Hidrostatik berbunyi :
Tekanan hidrostatik di semua titik yang berada dalam suatu
bidang mendatar di dalam sejenis zat cair yang berada dalam keadaan
setimbang di mana-mana sama.
Hukum hidrostatik berlaku untuk zat cair yang berada dalam
bejana yang bagaimanapun juga bentuknya.
Hukum Pascal
Tekanan yang diberikan pada suatu zat cair dalam ruang tertutup
akan diteruskan sama besar ke segala arah.
Manfaat dari hukum pascal ialah dengan menggunakan gaya yang
kecil kita dapat memperoleh gaya yang besar. Contoh pemakaian Hukum
Pascal adalah pada dongkrak hidraulik.
Karena P1 = P2 maka dapat diperoleh persamaan sebagai berikut
:
Gbr. 5-1 Prinsip dongkrak hidrostatikHukum Archimides
Seluruh benda yang berada dalam fluida (sebagian maupun
seluruhnya) akan mengalami gaya tekanan keatas sebesar berat fluida
yang dipindahkan benda tersebut.
Hukum Archimides membicarakan tentang gaya ke atas yang dialami
oleh benda jika berada dalam fluida. Besarnya gaya ke atas yang
dialami oleh benda tersebut dapat dihitung melalui persamaan
sebagai berikut :
FA = ( VC.gJadi bila sebuah benda berada di dalam fluida, akan
terjadi 3 kemungkinan :
a. Benda terapung dalam zat cair, jika :
F ( W = 0 atau F = W,
dimana F adalah gaya keatas oleh zat cair, W adalah berat
benda.
Menurut hukum Archimides
Berat zat cair yang dipindahkan = berat benda
Wc = Wb ( V2Sc = Vb.Sb
V1 = volume benda di atas permukaan zat cair
V2 = Volume benda di bawah permukaan zat cair = volume zat cair
yang dipindahkan.
Vb = volume benda (V1 + V2), karena Vb > V2 (Vc), maka Sb
< ScJadi massa jenis benda lebih kecil dibandingkan dengan massa
jenis fluida (atau ( benda < ( fluida)
b. Benda melayang dalam zat cair, disini terjadi keseimbangan, F
= W , dimana berat benda = berat cairan yang dipindahkan, maka Vb x
Sb = Vc . Sc
karena volume benda sama dengan vol zat cair yang dipindahkan,
maka Sb = Sc
atau massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida (( benda =
( fluida)
c. Benda tenggelam dalam zat cair, disini tidak terjadi
keseimbangan F < W atau mc < mb ( Vc.Sc < Vb.Sb , karena
volume cairan sama dengan volume benda (Vc = Vb), maka Sc < Sb
(atau ( benda > ( fluida).
Contoh 2.
Sepotong kayu tercelup bagian di dalam air. Berapakah bobot
jenis kayu tersebut ?
Jawab : Berat benda = berat zat cair yang dipindahkan
Vb.Sb = V2. Sc
= .Vb. Sc
Sb = . 1 = 0,75
Jadi bobot jenis kayu = 0,75
Contoh 3.
Sebuah benda tercelup bagian di dalam air, tetapi tercelup
bagian di dalam minyak. Hitung bobot jenis minyak tersebut ?
Jawab : Berat benda = berat zat cair yang dipindahkan
Vb.Sb = . Vb. Sa
Vb.Sb = .Vb.So
Sb = . 1
Sb = . So
So =
So = ( = 8/9 ( Bobot jenis minyak = 0,89
Dari perhitungan di atas ternyata, bahwa
:
Contoh 4Sebuah gelas yang berongga, tercelup 80% di dalam air,
jika gelas tersebut di dalam suatu larutan tercelup 60%. Berapakah
bobot jenis larutan ?
Jawab :
Slar = 80% / 60% = 1,33
Tegangan Permukaan
Karena adanya gaya tarik antara molekul maka permukaan zat cair
berperilaku sebagai selaput yang tegang. Gaya molekul di dalam
selaput selalu mencoba untuk memperkecil luas permukaan.
Jadi tegangan zat cair didefinisikan sebagai hasil bagi antara
gaya muka dengan panjang permukaan.
Gaya muka adalah gaya yang dihasilkan oleh tegangan
permukaan.
Besarnya tegangan permukaan dapat diketahui melalui persamaan
berikut :
Besarnya tegangan permukaan zat cair dipengaruhi juga oleh
keadaan permukaan zat cair, misalnya suhu zat cair. Semakin tinggi
suhu maka semakin kecil tegangan permukaannya dan sebaliknya.
Dibawah ini beberapa nilai tegangan permukaan dari fluida
Nama fluida( dalam N/m (= x 103 dyne/cm)
00C200C300C
Alkohol
Bensin
Air
Air raksa0,0240
0,0315
0,0756
0,5080
0,0223
0,0289
0,0727
0,48000,0198
0,0250
0,0679
0,4450
Contoh 5 Pada sebatang kawat berbentuk U (terbalik) sebuah kawat
lurus kecil yg massanya 0,1 gram dipasang sedemikian rupa sehingga
ia dapat bergerak bebas keatas-kebawah. Kemudian susunan kawat ini
dimasukkan ke dalam larutan sabun sehingga terdapat lapisan sabun.
Berapakah beban yg harus digantungkan pd kawat kecil tadi agar
kawat setimbang, jika panjang kawat (l) = 6 cm dan (
=3,0.10-2N/m
Jawab :
Diketahui : Wk = 0,1 g panjang kawat (l) = 6 cm dan tegangan
permukaan (() = 3,0.10-2N/m Ditanya : beban yg harus ditambah agar
kawat stabil ?Jawab : l = 6 cm = 0,06 m
F = ( . 2 l = 3,0.10-2 N/m x 1,2 x.10-1 m = 3,6.10-3 N
F = M. g ( M = F/g = 3,6.10-3/9.8 = 3,673 x 10-4 kg = 0,3673
gram
Wb = 0,367 0,1 g = 0,267 g
Atau (cgs):
( = 3,0 x 10-2N/m = 3,0 x 10-2 x 103 dyne/cm = 30 dyne/cm
F = 30 dyne/cm x 12 cm = 360 dyne
M = 360/980 = 0,367 g Wb = 0,367 0,1 g = 0,267 g
Kohesi dan adhesiKohesi adalah gaya tarik menarik antara molekul
yang sejenis. Adhesi adalah gaya tarik menarik antara molekul yang
tidak sejenis. Bentuk permukaan zat cair ditentukan oleh gaya
kohesi dan adhesi. Gaya kohesi di dalam zat padat besar sekali
karena jarak antara molekul-molekul satu sama lain dekat
sekali.
Kapilaritas
Kapilaritas adalah gejala naik turunnya permukaan zat cair di
dalam pipa kapiler yang disebabkan oleh adanya gaya kohesi dan
adhesi.
Permukaan air dalam kapiler berbentuk cekung, hal ini disebabkan
air memiliki gaya kohesi lebih kecil dibandingkan dengan gaya
adhesinya. Sedangkan jika permukaan air raksa di dalam pipa kapiler
berbentuk cembung, hal ini disebabkan air raksa mempunyai gaya
kohesi lebih besar dibandingkan gaya adhesinya.
Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair
dengan dinding pipa. Untuk permukaan meniskus cekung sudut
kontaknya adalah lancip (( < 90o). Sedangkan untuk permukaan
meniskus cembung sudut kontaknya adalah tumpul (( > 90o).
Naik turunnya permukaan zat cair dipengaruhi oleh kohesi dan
adhesi serta tegangan permukaan, maka gaya tegangan permukaan akan
sama dengan gaya berat dari zat cair yang naik atau turun tersebut.
Besarnya kenaikan atau penurunan permukaan zat cair dalam pipa
kapiler dapat diketahui melalui persamaan sebagai berikut :
Sedangkan persamaan gaya tegangan permukaan pada pipa kapiler
adalah sebagai berikut :
Contoh 6 Jika pembuluh xylem (pipa kapiler yg mengangkut bahan
makanan dari tanah ke bagian atas) sebatang pohon memiliki diameter
0,0020 cm, berapakah tinggi air dari permukaan tanah akan naik ?
Anggap sudut kontak 0O , tegangan permukaan air = 0,0735 N/m dan g
= 9,8 m/s2 .
Jawab : dia, d = 0,002 cm ( r = 0,001 cm = 1 x 10-5 m
Sudut kontak 0o ( cos 0o = 1, ( air = 1000 kg/m3
y = 2 x 0,0735 x 1 /(1000 x 9,8 x 1 x 10-5) =
= 2 x 735 x 10-4/(9,8 x 10-2) = 150 x 10-2 = 1,5 m
Contoh 7 :
Diameter pipa kapiler 2 mm = 2 x 10-3m ( r = 1 x 10-3m (1 x 10-1
cm)
Sudut kontak 300 ( cos 30o = 0,866, grav = 10 m/dt2 (1000
cm/dt2)Teg.permukaan air = 0,066 N/m (66 dyne/cm) dan massa jenis
air = 1000 kg/m3 (1 g/cm3)Hitung kenaikan air dlm pipa kapiler
Jawab : system mks :
( m = 11,4 mm
.atau system cgs : cm = 11,4 mmKEKENTALAN (VISKOSITAS)
Fluida sejati ialah fluida yang bersifat kompresibel, masa
jenisnya bertambah bila ditekan, tetapi untuk zat cair, perubahan
massa jenis terhadap perubahan tekanan tidak terlampau besar. Oleh
karena itu zat cair dapat dianggap tidak kompressible. Kekentalan
itu dapat dianggap sebagai gesekan didalam suatu zat cair (fluida),
Karena kekentalan ini harus dikerjakan suatu gaya agar supaya suatu
lapisan fluida dapat meluncur di atas suatu lapisan lainnya atau
supaya suatu permukaan dapat meluncur terhadap lainnya bila
diantara lapisan itu terdapat fluida.Baik zat cair atau gas
mempunyai kekentalan, tetapi kekentalan zat cair lebih besar
daripada kekentalan gas. Kekentalan sirup besar tetapi kekentalan
ter lebih besar lagi. Makin besar gesekan-gesekan yang terjadi
dalam suatu fluida makin besar kekentalannya. Kekentalan juga
dipengaruhi oleh suhu fluida, makin tinggi suhunya kekentalannya
makin kecil.
Perhatikan gambar berikut di mana suatu lapisan fluida
ditempatkan diantara dua papan, satu papan bergerak, sedang satu
papan dibawah diam. Fluida bersentuhan dengan masing-masing papan
akibat adanya gaya adhesi antara papan dan fluida, sehingga ketika
papan atas bergerak dengan kecepatan v, fluida di bagian atas juga
bergerak dengan kecepatan yang sama. Sementara itu papan yang
bersentuhan dengan papan yang diam juga diam. Dengan demikian ada
variasi kecepatan dalam fluida, dari 0 sampai v tertentu. Jika
kecepatan v ini dibagi dengan tebal lapisan l, maka besaran v/l
disebut gradien kecepatan.
Untuk menggerakkan papan yang diatas diperlukan suatu gaya.
Besarnya gaya yang diperlukan ini ternyata sebanding dengan
kecepatan v, dan berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan l
(jarak antar kedua papan). Dari sini kita dapatkan besar gaya yang
diperlukan untuk menggesar papan :
Kekentalan dirumuskan
dimana :
= kekentalan dinamis (koefisien kekentalan); F = gaya
A = luas permukaan ;V = kecepatan; L = jarak yang dilalui
fluida
Satuan kekentalan fluida :
1 centi poise (cp) = 10-2 poise
1 mikro poise (p) = 10-6 poise.
Satuan SI untuk koefisien viskositas adalah N.s/m2 yang disebut
Pascal.sekon.
Dalam Farmakope Indonesia Ed III : Kekentalan atau koefisien
kekentalan adalah hambatan dorongan relatif 2 lapisan cairan
berdekatan, dinyatakan dalam satuan centi poise (cp).
Kekentalan ditetapkan dengan Viskosimeter Oswald-Ubbelohde
secara tidak langsung menggunakan cairan pembanding yang diketahui
biasanya menggunakan air, dihitung dengan rumus :
a = kekentalan air pada suhu penetapan;ta = waktu alir air
(detik) c = kekentalan cairan
tc = waktu alir cairan (detik)
da = kerapatan air (g/ml)
dc = kerapatan cairan (g/ml)
Menentukan kekentalan suatu cairan
Alat : 1. Viskosimeter OSWALD-UBBELOHDE
2. Alat pencatat waktu (stopwatch).
Cara : Masukkan cairan melalui tabung V hindarkan terbentuknya
gelembung udara hingga permukaan cairan terletak antara dua garis
pada ruang A. Letakkan viskosimeter tegak dalam penangas air
bersuhu seperti tertera pada masing-masing monografi 0,1o hingga
ruang C tercelup seluruhnya, biarkan selama 20 menit. Tutup tabung
Z isap cairan dari ujung tabung W hingga permukaan terletak
ditengah-tengah ruang C, cegah terjadinya gelembung pada tabung W,
buka tutup Z, tutup segera tabubg W. Pada waktu cairan pada dasar
kapiler mulai mengalir turun buka tabung W catat waktu t dalam
detik selamam permukaan cairan bergerak dari tanda E sampai F.
Viskositas fluida
Untuk cairan (fluida) yang kental pengukuran viskositas diukur
dengan bola jatuh (Hoepner). Besarnya gaya gesekan yang terjadi
dari bola yang bergerak dengan laju kecepatan yang tetap dalam
fluida dapat diketahui melalui persamaan sebagai berikut :
F = 6 ((rv
Sedangkan untuk mengetahui kecepatan gerak bola di dalam fluida
dapat digunakan persamaan sebagai berikut :
Contoh 8 :
Sebuah logam memiliki jari-jari 1 cm dengan masa jenis 12 g/cm3
yang bergerak dalam gliserin yang memiliki koefisien viskositas 8 x
103Ns/m2 dengan massa jenis 3 g/cm3 serta kecepatan 10 m/det2.
Tentukan kecepatan gerak logam dalam fluida tersebut.
Jawab :
( = 2,5 x 10-4 m/det
Contoh 9Sebuah bola aluminium berjari-jari 2 mm yg jatuh ke
dalam air pd suhu 20oC. Massa jenis aluminium 2,7 x 103 kg/m3 ,
massa jenis air 1,0 x 103 kg/m3 dan viskositas air 1,0 x 10-3
Pa.dt. Berapa kecepatan terminal bola aluminium dalam air tsb.
Diketahui : r = 2 mm = 2 x 10-3 m (b = 2,7 x 10-3 kg/m3, (f =
1,0 x 10-3 kg/m3,
(f = 1,0 x 10-3 Pa.dt
Ditanya : VT ?
Jawab :
atau Sistem CGSDiketahui : r = 2 mm = 2 x 10-1 cm (b = 2,7
g/cm3, (f = 1,0 g/cm3,
(f = 1,0 x 10-3 Pa.dt = 1,0 x 10-2 dyne/cm2.dt (poise) Ditanya :
VT ?
Jawab :
---------------------------------------------------------------------------
Sumber :
1. Depkes RI : Fisika I untuk SMF, 1996
2. Gunawan, Adi K : Tangkas Fisika-IPA,
3. Bob Foster Fisika SMU jilid 1B
EMBED Equation.3
Ketr : v = kecepatan bola
(b= massa jenis benda
(r = massa jenis fluida
( = 3,14
( = koefisien gesekan
r = jari-jari bola
EMBED Equation.3
Ketr : F = gaya gesekan (N)
( = koefisien gesekan (Ns/m2)
r = jari-jari bola
v = kecepatan bola
2 (r( cos ( = (r2y(g
Ketr : y = kenaikan/penurunan permukaan zat cair (m)
( = tegangan permukaan zat cair (N/m)
( = sudut kontak
( = massa jenis zat cair (kg/m3)
g = percepatan garvitasi (m/det2)
r = jari-jari pipa kapiler
Ketr :
P= tekanan (N/m2 atau Pa)
F = gaya (N)
A = luas permukaan (m2)
dimana : ( (rho) = massa jenis
m = massa, V = volume
A = luas alas, h = tinggi
Ketr :P = tekanan hidrostatika
F = gaya tekan
A = luas permukaan
m.g = berat air dalam wadah
( = massa jenis air (g/cm3)
h = tiggi air diatas titik yang diamati
Ketr : P = tekanan hidrostatis
( = massa jenis cairan
g = gravitasi
h = tiggi air diatas titik yang diamati
Ketr : PB = tekanan disuatu titik
Po = tekanan udara luar
(gh = tekanan hidrostatis
Ketr :
F1 = gaya benda pada tab I
F2 = gaya benda pada tab II
A1= luas ( tabung I
A2 = luas ( tabung II
Ketr : FA = gaya Archimides
( = massa jenis zat cair
VC = volume zat cair yang dipindahkan
g = percepatan gravitasi
Ketr : ( = tegangan permukaan (N/m) atau dyne/cm
F = gaya muka (N) atau dyne
l = panjang permukaan (m) atau cm
EMBED Equation.3
EMBED Visio.Drawing.5
EMBED Visio.Drawing.5
EMBED Visio.Drawing.6
EMBED Visio.Drawing.6
EMBED Visio.Drawing.6
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Visio.Drawing.6
EMBED Visio.Drawing.6
Gbr. 5-2 Hukum Archimides
EMBED Visio.Drawing.6
Gbr. 5-3 Kapilaritas
Sa = BJ air
So = BJ minyak
P = (.g.h
PAGE 44BAB 5 fluida
_1195019864.unknown
_1222546793.unknown
_1225523215.unknown
_1225523627.unknown
_1224092435.vsdPo
air
Po
h
_1224106803.unknown
_1224092134.unknown
_1222565948.vsdF1
F2
air
A1
A2
_1221681416.unknown
_1222506409.unknown
_1222511858.vsd
V1
V2
W
F
o
V
W
F
V
a. terapung
W
F
b. melayang
c. tenggelam
o
o
_1222525179.vsd
air
raksa
q
y
y
a
b
q > 900
_1221681670.unknown
_1195371553.unknown
_1194014771.unknown
_1194338485.unknown
_1194422246.vsd
_1194442559.unknown
_1194447286.vsd
l
w
2gl
_1194442018.vsd
_1194421626.unknown
_1194336204.unknown
_1193818090.unknown
_1193830544.unknown
_1133165835.unknown
_1174124135.unknown
_1174124144.unknown
_1133251747.vsd
_1133164528.unknown