Jika kita melihat nyamuk ataupun serangga lain dapat berdiri diatas air yang tenang ternyata dibalik fenomena tersebut ada yang dinamakan tegangan permukaan air.
Apa yang dimaksud dengan Tegangan Permukaan Air?
Tegangan permukaan merupakan sifat permukaan suatu zat cair yang berperilaku layaknya lapisan kulit tipis yang kenyal atau lentur akibat pengaruh tegangan. Pengaruh tegangan tersebut disebabkan oleh adanya gaya tarik-menarik antar molekul di permukaan zat cair tersebut. Besarnya tegangan permukaan merupakan usaha yang diperlukan untuk menciptakan suatu permukaan baru, sifat permukaan yang dimiliki oleh zat cair yang berperilaku layaknya lapisan kulit tipis yang kenyal atau lentur akibat pengaruh tegangan. Tegangan ini terjadi saat molekul-molekul di permukaan suatu cairan saling tarik-menarik satu sama lain, sehingga menciptakan pembatas antara udara dengan cairan tersebut. Dalam praktikum, tegangan permukaan didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan untuk menciptakan suatu permukaan baru, dirumuskan sebagai berikut :
Dengan F adalah gaya tarik (newton), dan L adalah lebar lempeng yang terkena cairan (meter). lempeng yang digunakan terbuat dari bahan aluminium, kaca dan sebagainya (Indarniati,2008).
Tegangan permukaan air menggambarkan suatu kondisi dimana permukaan air yang bersentuhan dengan udara seperti lembaran elastis tipis. Hal tersebut merupakan fenomena yang terjadi pada permukaan cairan ketika cairan berada dalam kontak melalui medium gas. Ketika ada kontak antara permukaan dua cairan seperti air dan minyak, hal itu disebut tegangan antarmuka. Molekul- molekul dalam cairan (misalnya air) digambarkan oleh gaya antarmolekul yang dikenal sebagai gaya Van der Waal. Molekul-molekul di permukaan air tidak dikelilingi oleh molekul air di semua sisi. Mereka akan menyatu lebih kuat dengan molekul air lainnya, karena bertentangan dengan molekul udara. Hal ini menciptakan sebuah “lapisan tipis (selaput)” di permukaan yang memerlukan sejumlah kekuatan untuk menembusnya. Idealnya semua cairan akan membentuk bentuk bulat dengan tidak adanya gravitasi untuk meminimalkan tegangan permukaannya. Hal ini karena bentuk bulat memiliki luas permukaan terkecil untuk volume tertentu. Namun, pada faktanya bentuk tetesan air tidak berbentuk bulat sempurna karena adanya gaya gravitasi (Heaton, 2017)
Molekul cairan yang tertarik satu sama lain cenderung memiliki tegangan permukaan yang lebih tinggi dan lebih padat dibandingkan molekul lainnya. Tegangan permukaan pada sistem padat belum dipelajari secara ekstensif, melalui data eksperimental untuk kerapatan dan tegangan permukaan pada beberapa suhu subkritis tersedia hanya untuk beberapa cairan ion dan cairan normal. Tegangan permukaan juga dapat didefinisikan sebagai rasio energi yang dibutuhkan untuk membawa molekul dari bawah ke permukaan cairan ke kenaikan luas permukaan cair, yang diwakili oleh energi bebas permukaan per satuan luas permukaan pada termodinamik. Adapun metode untuk menghitung tegangan permukaan campuran cair dapat dibagi menjadi dua kategori yang didasarkan pada hubungan empiris dan lainnya berasal dari hubungan termodinamika. Salah satu kegunaan mempelajari tegangan permukaan, yakni merupakan jumlah fundamental dan terpenting dalam teori dan praktik pemrosesan material (pertumbuhan kristal, solder, mematri dan sintering). Sehingga pada saat ini, Tegangan permukaan cairan telah menjadi subjek sejumlah kecil penelitian (Alizadeh, 2011).
Molekul air merupakan molekul yang bersifat polar dan antar molekul terjadi interaksi berupa ikatan hidrogen yang sangat kuat. Molekul molekulnya akan saling tarik menarik dengan adanya ikatan hidrogen yaitu antar atom hidrogen dari satu ikatan O-H dan atom oksigen dari molekul air yang lainnya. Hal ini akan menyebabkan struktur air menjadi kaku yang ditunjukkan oleh besarnya tegangan permukaan air. Besarnya tegangan permukaan cairan tergantung dari kekuatan gaya tarik antara molekul-molekulnya. Secara teoritis air murni pada suhu 20◦C memiliki tegangan permukaan sebesar 72,8 dyne/cm.
Perbedaan suhu pengukuran sangat mempengaruhi hasil pengukuran. Jika suhu atau sistem dinaikkan, maka energi kinetik molekul-molekulnya juga meningkat, yang menyebabkan meningkatnya getaran molekul. Getaran atau gerak vibrosional dari molekul-molekul air tesebut akan melemahkan interaksi antar molekul, seperti ikatan hidrogen atau gaya van der waals. Hal ini berakibat langsung pada penurunan tegangan permukaan suatu cairan dengan meningkatnya suhu sistem (Tang, Muhammad. 2011).
Salah satu persamaan klasik yang menghubungkan nilai tegangan permukaan dan suhu adalah persamaan Eötvös-Ramsay-Shields :
Dimana ѵ adalah volume molar cairan, Tc adalah suhu kritis dan Ke adalah konstanta. Untuk cairan yang tidak berasosiasi, nilai Ke adalah 2.12, dan untuk cairan yang berisolasi, nilainya kurang dari nilai tersebut. Menurut persamaan ini, tegangan permukaan akan menjadi nol pada suhu enam derajat di bawah suhu kritis, dimana hal tersebut telah diamati melalui eksperimental. Secara teoritis, nilai tegangan permukaan harus menjadi nol pada suhu kritis, karena pada suhu ini, permukaan pemisah antara cairan dan uapnya tidak dapat dibedakan. Namun, telah diamati bahwa meniskus menghilangnya tegangan permukaan untuk beberapa derajat di bawah suhu kritis untuk beberapa cairan (Ghosh,P 8).
Dalam menentukan nilai tegangan permukaan zat cair, di perlukan sebuah metode di dalam eksperimen, salah satunya yakni metode lempeng wilhelmy, Metode ini dinamai ahli kimia Jerman yakni Ludwig Wilhelmy. Prinsip kerja dari metode ini mirip dengan metode cincin du Noüy. Namun, lebih sederhana dan tidak memerlukan koreksi. Dengan metode ini, pelat tipis (biasanya terbuat dari platinum dan iridium) digunakan, selanjutnya lempengan ini dicelupkan ke dalam cairan yang akan diukur nilai tegangan permukaannya seperti yang ditunjukkan
Pada gambar diatas bejana yang mengandung cairan secara bertahap diturunkan dan gaya yang diukur oleh keseimbangan pada titik detasemen F dicatat.
Dalam pendekatan ini, tingkat cairan dinaikkan sampai menyentuh lempeng gantung. Sehingga Persamaan Wilhelmy adalah, yakni :
Dimana P adalah parameter terbasah dari lempeng, dan Ɵ adalah sudut kontak. Sudut kontak harus diatur sedemikian rupa hingga nilainya mendekati nol (sehingga cairan tersebut melarutkan piring dengan benar dengan membersihkan piring dengan cara membakarnya di api pembakar Bunsen sebelum masing-masing di celupkan ke dalam cairan). Jika sudut kontak mendekati nol, dan P merupakan nilai dua kali lebar lempeng yang terdapat pada tegangan permukaan, maka Persamaan dapat disederhanakan menjadi :
Metode lempeng Wilhelmy tidak memerlukan koreksi karena beratnya tegangan permukaan yang tergantung pada lempeng itu sangat kecil (Ghosh.P).
Adapun manfaat/pengaplikasian dari mengetahui tegangan permukaan itu sendiri, yakni :
-
Semakin besar nilai tegangan permukaan, maka semakin besar kecenderungan zat cair membentuk selaput, sehingga cairan tidak akan mudah menyebar. Air paling sering digunakan untuk mencuci karena air mudah menyebar. Untuk efek ini, tegangan permukaan air harus dikurangi dengan menambahkan deterjen / sabun ke dalam air atau dengan menaikkan suhu air, keduanya mengurangi tegangan permukaan air, sehingga mencuci menjadi lebih mudah. Hal yang sama adalah alasan mengapa seorang fotografer menggunakan agen pembasahan saat mencetak sebuah film.
-
Ketika sebuah kapal di laut yang tertangkap dalam badai, dapat menuangkan minyak ke permukaan laut sekitaran kapal. Hal ini didasarkan pada minyak meningkatkan tegangan permukaan air laut, sehingga dapat menenangkan badai ke arah laut yang kasar.
-
Kertas blotting yang bekerja pada aksi kapiler (U. P.Shinde. 2015)
1 Like