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