UTS_RIFKIA AMRIANI(H0421513)_FLUIDA

FLUIDA

NAMA: RIFKIA AMRIANI

NIM : H0421513

KELAS : FISIKA A 21

Tenggelam, Melayang, dan Terapung

Ketika benda dimasukkan dalam zat cair maka ada dua gaya arah vertikal yang bekerja pada benda. Gaya pertama adalah berat benda

yang arahnya ke bawah. Gaya kedua adalah gaya angkat Archimedes yang arahnya ke atas. Berdasarkan perbandingan kekuatan
gaya tersebut maka kita akan mengamati tiga fenomena ketika memasukkan benda dalam zat cair, yaitu tenggelam, melayang, dan
terapung. Apa syarat agar benda tenggelam, melayang, atau terapung?

Untuk mengetahui kondisi mana yang akan terjadi, bayangkan kita mencelupkan seluruh bagian benda ke dalam zat cair (Gambar 10.24).

Benda akan mengalami gaya angkat maksimum. Misalkan volum benda adalah V danmassa benda adalah m. Berat benda adalah W = mg .

Gaya angkat maksimumyang dialami benda jika seluruh volume benda tercelup ke dalam zat cair

adalah

FA,maks = rc gVb

di mana rc adalah massa jenis zat cair.

Kekuatan masing-masing gaya tersebut yang menentukan benda terapung, melayang,

atau tenggelam.

Benda tenggelam jika berat benda lebih besar daripada gaya angkat

maksimum:

mg > rc gVb , atau

m > rcVb

Benda melayang jika berat benda sama dengan gaya angkat

maksimum:

mg = rc gVb , atau

Pada kondisi setimbang, gaya angkat Archimedes sama dengan berat benda. Misalkan saat tercapai

kesetimbangan volume bagian benda yang tercelup adalah V1 maka gaya angkat Archimedes adalah FA =
rcgV1. Saat tercapai kesetimbangan maka mg = rcgV1, atau

m = rcV1

Atau volume benda yang tercelup adalah
m
V1 = r c

Volum benda yang muncul di permukaan zat cair adalah

V2 = V -V1

Salah satu teknologi canggih yang memanfaatkan prinsip melayang, mengapung, dan tenggelam adalah

teknologi kapal selam. Kapal selam memiliki ruang khusus penampung air. Jumlah air yang ditampung bisa
ditambah dan dikurangi. Ketika kapal selang akan muncul ke permukaan maka air dalam ruang tersebut
dikeluarkan sehingga berat kapal selam berkurang. Gaya angkat Archimedes mengungguli berat sehingga
kapal selam naik ke permukaan. Jika kapal selam inging turun ke dalam air maka air dalam ruang tersebut
ditambah sehingga berat kapal selam meningkat. Jika berat melampaui gaja angkat Archimedes maka kapal
selam turun masuk ke dalama air. Saat kapal selam akan bergerak maju maka kapal selam harus dalam
kondisi melayang. Raung diisi air sedekimian rupa sehingga gaya angkat Arachimedes persis sama dengan
massa kapal selam

Contoh 10.12
Mengapa korban tenggelam mula-mula jasadnya masuk ke dalam air lalu beberapa hari kemudian akan muncul

di permukaan?

m = rcVb

Benda terapung jika berat benda lebih kecil daripada gaya angkat

maksimum:
mg < rc gVb , atau

m < rcVb

Khusus untuk benda terapung, ketika seluruh bagian benda dicelupkan ke dalam zat

cair maka gaya angkat Archimedes lebih besar daripada berat benda. Jika dilepas
maka benda akan bergerak ke atas hingga sebagian volume benda muncul di
permukaan cairan hingga tercapai kesetimbangan

Volume bola besi yang tercelup dalam air adalah V = (4/3)pR3 = (4/3) ´

3,14 ´ (0,8)3 = 2,14 m3. Gaya angkat Archimedes pada bola besi
adalah FA = raVg = 1.000 ´ 2,14 ´ 10 = 21.400 N.

Volume material besi saja adalah V’ = (4/3)pR3 - (4/3)pr3 = 2,14 - (4/3) ´

3,14

´r3 = 2,14 – 4,19 r3. Massa material besi saja, mb = rbV’ = 7.600 ´ (2,14 –

4,19 r3). Berat bola besi, Wb = mbg = 7.600 ´ (2,14 – 4,19 r3) ´ 10 =
76.000 ´ (2,14 – 4,19 r3).

Karena bola besi melayang maka Wb = FA atau 76.000 ´ (2,14 – 4,19 r3) =

21.400 atau 2,14 – 4,19 r3 = 21.400/76.000 = 0,28. Dengan demikian
4,19r3 = 2,14 – 0,28 = 1,86 atau r3 = 1,86/4,19 = 0,444. Akhirnya kita
dapatkan jari-jari rongga bola besi adalah r = (0,444)1/3 = 0,76 m = 76
cm.

Terusan Panama

Terusan Panama adalah terusan yang melewati negara Panama, Amerika Tengah, yang menghubungkan

Samudera Atlantik dan Samudera Pacific. Terusan Panama mempersingkat alur pelayaran antar dua
samudera tersebut. Semula kapal laut dari samudera Pacific ke samudera Atlantik, atau sebaliknya
harus melewati ujung selatang benua Amerika yang sangat jauh. Pelayaran tersebut sangat lama
dan berbahaya karena sudah dekat dengan kutub selatan bumi. Terusan Panama mempersingkat
pelayaran tersebut dengan menggali terusan di bagian sempit benua Amerika, yang
menghubungkan samudara Pacific dengan laut Karibia. Pajang terusan ini hanya 80 kilimeter.
Jumlah kapal yang melewati terusan Panama setiap hari di atas 200 kapal. Yang paling banyak
melintas adalah kapal kargo, kapal tanker, dan kapal tongkang.

Hal serupa terjadi dengan pembangunan terusan Suez di Mesir yang menghubungkan laut Merah dan

laut Tengah. Awalnya, kapal-kapal dari Eropa yang akan ke Asia harus melewati ujung selatan benua
Afrika. Perjalanan tersebut sangat panjang dan berbahaya juga karena sudah dekat dengan kutub
selatan bumi.

Terusan Panama berbeda dengan terusan Suez. Terusan Suez berada di daerah padang pasir sehingga

proses penggalian untuk menghubungkan Laut Merah dan Laut Tengah relatif mudah. Setelah
selesai dibangun, kapal-kapal melintas dengan mudah seperti melintasi sebuah sungai besar.

Terusan Panama berada di pegunungan tinggi dan berbatu. Hingga saat ini para ahli belum sanggup membangun semacam

sungai yang menghubungkan dua samudera tersebut. Para ahli belum sanggup menggali pegunungan hingga cukup
dalam untuk membentuk semacam sungai yang menghubungkan langsung dua samudera. Tetapi sifat fluida statis
menolong para ahli membuat terusan dalam bentuk kolam-kolam raksasa. Terusan Panama dibuat bukan dalam bentuk
sungai, tetapi dalam bentuk kolam-kolam raksasa pada ketinggian yang berbeda.

Kolam pertama memiliki ketinggian permukaan sama dengan ketinggian pemukaan samudera pasifik.
Kapal masuk ke kolam pertama.
Pintu kolam pertama ditutup rapat
Air diisi ke dalam kolam pertama. Akibat gaya angkat Archimedes, dengan naiknya permukaan air di kolam pertama maka

posisi kapal juga ikut naik. Air diisi terus di kolam pertama hingga ketinggian permukaannya sama dengan ketinggian
permukaan air di kolam kedua.

Setelah ketinggiap permukaan air kolam pertama dan kedia sama maka pintu air yang menghubungkan kolam pertama dan

kedua dibuka. Setelah itu kapal masuk ke kolam kedua.

Air kemudian diisi ke kolam kedua hingga ketinggian permukaan air di kolam kedua sama dengan ketinggian permukaan air di

kolam ketiga.

Selanjutnya kapal masuk ke kolam ketika. Begitu seterusnya hingga kapal masuk ke kolam tertinggi.
Selanjutnya kapal harus turun menuju ke samudera Atlantik. Kapal harus bergerak dari kolam yang tinggi ke kolam yang

rendah. Caranya air dari kolam yang tinggi dikuras sehingga ketinggian permukaannya sama dengan ketinggian
permukaan air di kolam berikutnya. Setelah itu kapal bergerak ke kolam berikutnya.

Begitu seterusnya hingga kapal sampai di samudera Atlantik.

Untuk memindahkan kapal dari samudera Pacific ke laut Karibia atau sebaliknya di terusan Panama dibutuhkan banyak air.

Air-air tersebut semuanya akan berakhir melalui pembuangan ke laut. Untuk memindahkan satu kapal diperlukan air
sekitar 50 juta galon. Pada tahun 2012 terdapat transit total 14.544 kapal atau secara rata-rata terdapat 40 transit per
hari. Dengan demikian konnsumsi air per hari untuk memindahkan kapal-kapal tersebut sekitar 2 miliar galon. Sebagai
pembanding, tahun 2005 konsumsi air oleh penduduk kota Panama dan Colon yang berada di sekitar terusan selama
sehari hanya 250 juta galon. Dengan demikian, terusan Panama mengonsumsi air sekitar 8 kali lebih banyak daripada
konsumsi seluruh penduduk Panama dan Colon.

Infus

Orang yang kekurangan cairan harus diinfus untuk mengembalikan cairan tubuh. Beberapa obat

dimasukkan dalam tubuh melalui nfus sehingga bisa segera diserap sel-sel tubuh. Botol infus
diletakkan agak tinggi. Dihubungkan dengan selang dan jarum yang ditusukkan ke dalam pembuluh
darah. Dengan demikian, cairan infus bisa langsung masuk ke dalam aliran darah.

Agar cairan infus bisa masuk ke dalam pembuluh darah maka tekanan yang dimiliki cairan infus harus

lebih tinggi daripada tekanan darah. Ini dilakukan dengan meninggikan posisi botol infus (Gambar
10.29). Tekanan cairan infus sama dengan tekanan atmosfer ditambah tekanan hidtostatis akibat
ketinggian botol infus. Tekanan atmosfer adalah 76 cmHg. Tekanan hidrostatis cairan infus adalah P
= rcgh. Misalkan massa jenis cairan infus sama dengan massa jenis air maka P = 1.000 ´ 9,8 ´h =
9.800 h. Jika tekanan tersebut dinyatakan dalam cmHg maka P = (9.800/13.600 ´ 9.8 ) h (cm) =
0,074 h di mana h dalam cm.

Misalkan tinggi botol infus adalah 1 meter = 100 cm. Maka tekanan hidrostatis cairan infus adalah P =

0,074 ´ 100 = 7,4 cmHg. Dengan demikian, tekanan total cairan infus adalah 76 cmHg + 7,4 cmHg =
83,4 cmHg.

Tekanan darah normal manusia adalah 80 cmHg – 120 cmHg. Dengan tekanan cairan infus 83,4 cmH

maka cairan infus dapat masuk ke dalam darah saat tekanan darah antara 80 cmHg sampai 83,4
cmHg. Saat tekanan darah berada pada nilai antara 83,4 cmHg sampai 120 cmHg, cairan infus
berhenti masuk ke dalam darah. Untuk pasien yang memiliki tekanan darah tinggi posisi botol infus
harus lebih tinggi sehingga tekana total yang dihasilkan lebih tinggi daripada tekanan darah pasien.

Makin besar besar suhu gas maka makin kencang gerakan molekul- molekul gas (Gambar 10.30 atas). Ketika molekul tersebut menumbuk permukaan

benda dan dipantulkan maka gaya yang diberikan molekul gas makin besar. Akibatnya tekanan yang dirasakan permukaan benda makin
besar. Jadi kita simpulkan bahwa tekanan gas sebanding dengan

suhu gas, atau P µ T , dengan T adalah suhu (K).
Di samping itu, jika dalam wadah tersebut konsentrasi molekul gas makin besar maka makin banyak molekul yang menumbuk permukaan benda

(Gambar 10.30 bawah). Dengan demikian, gaya total yang dirasakan poermukaan benda kibat ditumbuk oleh molekul gas makin besar
sehingga tekanan yang dihasilkan makin besar. Oleh karena itu kita sampai pada kesimpulan kedua bahwa tekanan gas berbanding

lurus dengan konsentrasi molekul gas, atau P µ n , dengan n adalah konsentrasi (jumlah molekul per satuan volum).

Jika dua kesebandingan di atas digabung menjadi sebuah persamaan maka kita peroleh tekanan gas memenuhi

P = knT

(10.17)

dengan k adalah konstanta pembanding. Mengingat definisi konsentrasi sebagai jumlah molekul per satuan volum atau n = N/V, maka persamaan

tekanan gas dapat juga ditulis sebagai

P = kNT

V

Hasil percobaan yang sangat teliti menunjukkan nilai konstanta pembanding k
= 1,38 ´ 10-23 J/K. Konstanta ini disebut konstanta Boltzmann.

Contoh 10.14
Pada tekanan udara 1 atm dan suhu 0oC dan volum 22,4 liter, berapakah jumlah atom gas?

Tekanan Yang Dilakukan Gas

Berbeda dengan zat cair maupun zat padat, gas selalu memenuhi seluruh ruang dalam wadah. Jika

dimasukkan dalam wadah maka molekul- molekul gas cenderung bergerak ke segala arah secara
seragam. Oleh karena itu tekanan dalam gas selalu sama di setiap titik.

Tekanan gas dihasilkan oleh tumbukan molekul-molekul gas pada benda yang bersentuhan dengan gas.

Molekul-molekul gas selalu bergerak secara acak. Ketika mengenai permukaan benda maka molekul
tersebut mengalami pemantulan. Pemantulan molekul menghasilkan gaya pada permukaan benda.
Karena permukaan benda memiliki luas maka permukaan benda merasakan adanya tekanan

P = gaya oleh molekul-molukul gas/luas permukaan benda

Inilah tekanan yang diukur sebagai tekanan gas. Bagaimana persamaan tekanan gas? Mari coba kita

turunkan.

Jawab

Tekanan 1 atm yang lebih eksak adalah P = 1,0133 ´ 105 Pa. Suhu gas T = 0 oC
= 273 K. Volum gas V = 22,4 liter = 22,4 ´ 10-3 = 2,24 ´ 10-2 m3. Jadi, jumlah atom gas pada

keadaan tersebut dihitung dengan persamaan (3.12) adalah

N = PV/kT = (1,0133´ 105) ´ (2,24 ´ 10-2)/[( 1,38 ´ 10-23) ´ 300] = 6,02 ´ 10-23
atom.
Jika suhu rendah maka kecepatan molekul kecil sehingga gaya tumbuk molekul pada

permukaan bgenda kecil dan tekanan yang dihasilkan kecil. Jika suhu tinggi maka
kecepatan molekul besar sehingga gaya tumbuk molekul pada permukaan benda
besar dan tekanan yang dihasilkan besar. Lihat gambar bawah. Jika konsentrasi
rendah maka jumlah molekul yang menumbuk dinding sedikit sehingga gaya total
tumbukan molekul pada permukaan benda kecil dan tekanan yang dihasilkan kecil.
Jika konsentrasi tinggi maka jumlah total molekul yang menumbuk dinding banyak
sehingga gaya total tumbukan molekul pada permukaan benda besar dan tekanan
yang dihasilkan besar.

Presto

Presto yang dalam bahasa Inggris disebut pressure cooker adalah alat masak tekanan tinggi (Gambar 10.31). Udara

dalam presto (sebagian besar adalah uap air) dibuat pada tekanan yang tinggi, lebih tinggi dari tekanan
atmosfer. Pada tekanan yang lebih tinggi air mendidih pada suhu yang lebih tinggi. Pada tekanan satu atmosfer,
air mendidih pada suhu 100 oC. Akibat tekanan dalam presto yang tinggidaripada satu atmosfer maka suhu
dalam presto lebih tinggi dari pada 100 oC. Ini berarti dengan presto kita dapat memasak makanan pada suhu
lebih tinggi sehingga lebih cepat matang.

Mungkin ada yang bertanya, berapakah suhu air dalam presto? Presto memiliki pengontrol tekanan, yaitu sebuah

beban yang dipasang di tutup presto. Beban tersebut menutup lubang kecil yang ada di tutup presto. Gambar

10.32 adalah contoh beban yang dipasang di penutup prestor. Beban tersebut dipasang pada lubang kecil yang

berada di tutup presto. Jika tekanan udara di dalam presto terlampau tinggi maka beban sedikit terangkat
sehingga membuka lubang di tutup presto. Akibatnya terjadi semburan uap keluar dari prestor yang
menyebabkan tekanan kembali turun.

Contoh beban yang ada memiliki massa 63 g dan menutup lubang presto dengan diameter 3 mm. Ini berarti berat

beban adalah W = mg = 0,063 ´ 10 = 0,63 N. Luas penampang lubang adalah A = pr2. Jari-jari presto adalah r =
d/2 = 3/2 = 1,5 mm = 0,0015 m. Maka A = 3,24 ´ (0,0015)2 = 7,1´ 10-6 m2.

Oleh karena itu tambahan tekanan dalam presto akibat adanya beban tersebut adalah P = W/A = 0,63/(7,1´ 10-6) =

87.732 Pa. Tekanan sebesar ini sama dengan 0,88 atm. Jadi dengan tambahan tekanan oleh beban maka
tekanan total dalam presto adalah 1,88 atm.

Tekanan uap air [atm]
Gambar 10.33 adalah hubungan antara suhu uap air dan tekanan yang dihasilkan. Pada tekanan 1 atm, suhu uap air

hanya 100 oC. Namun dalam presto yang memiliki tekanan 1,88 atm, suhu air dan uap mencapai 120 oC.

Orang tua

kita

jaman

dulu

sebenarnyasudah

mengenal presto

meskipun dalam bentuk yang sederhana. Caranya adalah mereka memberikan

pembeban pada tutup panci (Gambar 10.34). Kalau tidak ada pembeban maka sedikit saja

tekanan dalam panci melampaui tekanan atmosfer

maka

tutup akan terbuka sehingga uap

keluar. Keluarnya uap menyebabkan tekanan di dalam panci kembali turun sama dengan tekanan

atmosfer. Tetapi, ketika penutup panci diberi beban pemberat maka uap di dalam panci perlu

menghasilkan tekanan yang tinggi dulu agar dapat membuka penutup panci. Dengan demikian,

tekanan yang cukup jauh di atas satu atmosfer dapat dihasilkan sehingga suhu dalam panci lebih

tinggi daripada 100 oC.

Tekanan dalam Kabin Pesawat

Di permukaan laut tekanan udara adalah 1 atm. Satuan lain untuk tekanan udara yang sering

digunakan adalah bar yang merupakan singkatan dari barometer. Nilai 1 bar = 100.000 Pa. Karena
nilai 1 atm = 101.320 Pa maka 1 atm = 1,0132 bar. Makin kita naik ke atmosfer maka tekanan
udara makin kecil. Gambar 10.35 adalah kurva perubahan tekanan atmosfer terhadap ketinggian
diukur dari permukaan laut.

Yang menarik adalah ketika kita naik pesawat, khususnya pesawat jet. Ketinggian jelajah pesawat jet

bisa mencapat 40.000 kaki atau sekitar 12 km dari permukaan laut. Umumnya pesawat jet
memiliki ketinggian jelajah di atas 10 km. Kalau kita melihat kurva pada Gambar 10.34, pada
ketinggian 10 km di atas permukaan laut tekanan udara hanya sekitar 200 milibar atau setara

Ketinggian dari permukaan laut (km)
dengan 0,2 atm. Ini adalah tekanan yang sangat rendah dan manusia bisa segera pingsan dan

meninggal pada tekanan tersebut karena kekurangan oksigen. Tetapi bagaimana caranya
penumpang pesawat bisa aman selama berjam-jam di dalam penerbangan? Manusia masih bisa
nyaman hingga tekanan minimum sekitar 800 milibar. Berada dalam waktu lama di bawah
tekanan 800 milibar akan terjadi gangguan pada kesehatan manusia. Tekanan 800 milibar ini kira-
kira sama dengan tekanan atmosfer pada ketinggian 2.400 meter dari permukaan laut (lihat kurva
di Gambar 10.34).

Dalam dunia penerbangan ada istilah ketinggian kabin (cabin altitude).

Ketinggian kabin dinyatakan dalam meter. Ketinggian kacil adalah
ketinggian atmosfer yang tekanannya sama dengan tekanan dalam kabin
pesawat. Sebagai contoh, pada ketinggian 2.400 meter tekanan atmosfer
adalah 800 milibar. Jika pesawat menjelah pada ketinggian 12 km dari
permukaan laut dan tekanan dalam kabin adalah 800 milibar maka
ketinggian kabin adalah

2.400 meter. Dengan kata lain, berapa pun ketinggian jelajah pesawat, namun

jika tekanan dalam kabin adalah 800 milibar maka ketinggian kabin adalah

2.400 meter. Ketinggian kabin tidak bergantung pada ketinggian pesawat,

tetapi hanya ditentukan oleh tekanan udara dalam kabin. Jika pesawat
memasang tekanan dalam kabin 1 atm maka ketinggian kabin adalah 0,
berapa pun ketinggian pesawat.

Mengitung Luas Patung Pangeran Diponegoro

Patung Pangeran Diponegoro yang sedang menunggang kuda dapat ditemui di kota Magelang (Gambar 10.37). Kalau kalian ditanya

seseorang untuk menghitung luas seluruh permukaan patung, bagaimana caranya? Sulit bukan? Apalagi mengingat permukaan patung
berlekuk-lekuk. Makin banyan dan makin kecil lekukan tentulah makin sulit menghitung luas permukaan patung tersebut? Adakah cara
yang mudah?

Salah satu cara yang cerdas adalah menggunakan bola-bola kecil, misalnya kelereng atau bola karet seukuran kelereng. Kumpulkan bola

tersebut sebanyak-banyaknya. Hitung jumlah bola yang kalian kumpulkan. Kemudian tempelkan bola-bola tersebut menutup semua
permukaan patung. Tidak ada lagi permukaan patung yang terbuka (tidak ditutupi bola). Setelah itu kalian hitung jumlah bola yang
tersisa. Dengan demikian, jumlah bola yang sudah ditempel dapat diketahui. Jika luas daerah yang diisi satu bola dapat ditentukan
maka jumlah luas permukaan patung yang ditutupi bola bisa dihitung dengan mudah. Cerdas bukan? Misalkan luas yang ditempati satu
kelereng adalah 1,5 cm2 dan setelah disusun ternyata ada 2.500 kelereng yang menutupi seluruh permukaan patung. Maka luas
permukaan patung adalah 2.500 ´ 1,5 = 3.750 cm2.

Kelereng ditempel di
permukaan patung
Dan perlu kalian tahu bahwa metode seperti inilah yang digunakan untuk menghitung luas permukaan partikel-partikel kecil atau benda

yang

mengandung pori-pori kecil. Tentu yang digunakan bukan bola, tetapi atom atau molekul. Luas permukaan material dihitung berdasarkan

jumlah atom atau molekul gas yang menempel di permukaan tersebut. Luas satu atom atau molekul sudah ada datanya. Jadi, dengan
mengetahui jumlah atom atau molekul yang menempel di permukaan material maka luas material dapat dihitung. Metode ini
dinamakan metode BET, yang merupakan singkatan dari nama Braunerr, Emmet, dan Tellet, sang penemu metode tersebut. Alat BET
sudah digukanan secara luas dalam penelitian dan industri. Gambar 10.38 adalah contoh alat BET.

Atom/molekul gas
mulai menempel di permukaan material
Atom/molekul gas sudah
menempel penuh di
permukaan material
Cara pengukuran dengan BET sebagai berikut. Material yang akan diukur luas permukaannya dimasukkan dalam ruang kemudian ruang

tersebut divakumkan. Setelah vakum maka gas tertentu dimasukkan ke dalam ruang tersebut dengan tekanan P0. Lalu biarkan
beberapa lama. Atom atau molekul gas mulai menempel di permukaan material sehingga jumlah atom atau molekul gas yang masih
bebas menjadi berkurang. Akibatnya, tekanan gas dalam ruang menjadi berkurang secara perlahan-lahan. Suatu saat tekanan tidak
berubah lagi. Pada saat ini seluruh permukaan material sudah ditempeli atom atau molekul gas. Kita ukur tekanan akhir ini. Misalnya
didapat P.

Dengan menggunakan persamaan (10.18) maka jumlah atom atau molekul yang mula-mula dimasukkan ke dalam ruang adalah

N = P0V

0kT

(10.18)

Setelah tekanan tidak berubah lagi maka jumlah atom atau molekul menjadi

N = PV

kT

(10.19)

Dengan demikian, jumlah atom atau molekul yang menembel di permukaan material adalah

DN = N0 - N

= (P - P) V

(10.20)

0

kT

DN = N0 – N = (P0 – P)V/kT. Jika luas satu atom atau molekul adalah a maka luas permukaan material adalah A = DNa.

Contoh 10.15
Molekul nitrogen digunakan untuk menghitung luas total permukaan sejumlah partikel yang berukuran nanometer. Ruang penyimpanan sampel dalam BET memiliki ukuran

0,5 liter. Mula-mula tekanan awal nitrogen adalah 2 atm. Setelah dibiarkan cukup lama, nitrogen dalam alat mencapai tekanan konstan 1,9 atm. Suhu pengukuran
adalah 27 oC. Perkirakan luas pemukaan total partikel-partikel tersebut. Luas satu molekul nitrogen adalah 0,162 nm2 dan konstanta Boltzmann adalah 1,38 ´ 10-23 J/k.

Jawab
Tekanan awal gas adalah P0 = 2 atm = 2 ´ 105 Pa. Tekanan akhir gas adalah P

= 1,9 atm = 1,9 ´ 105 Pa. Perubahan tekanan gas P0 – P = 104 Pa. Suhu
pecobaan T = 27 oC = 27 + 273 = 300 K. Volume ruang yang ditempati gas
V = 0,5 L = 0,5

10-3 m3 = 5 ´ 10-4 m3. Jumlah molekul yang menempel di permukaan

semua partikel adalah DN = N0 – N = (P0 – P)V/kT = 104´ (5 ´ 10-4)/[(1,38
´ 10-23) ´ 300]

= 1,2 ´ 1021 molekul.
Luas sebuah molekul adalah a = 0,162 nm2 = 0,162 ´ (10-9 m)2 = 0,162 ´ 10-

18 = 1,62 ´ 10-19. Dengan demikian, luas total permukaan partikel adalah
A = DNa = (1,2 ´ 1021)´(1,62 ´ 10-19) = 194,4 m2.

Tegangan Permukaan

Banyak pengamatan menarik tentang permukaan fluida. Jarum yang diletakkan perlahan-lahan di atas

permukaan fluida tetap mengambang asalkan tidak basah meskipun massa jenis jarum lebih besar
daripada massa jenis fluida. Pada tempat jarum diletakkan, permukaan fluida sedikit melengkung ke
bawah mengikuti kontour permukaan jarum (Gambar 10.39). Fenomena ini memperlihatkan bahwa
permukaan fluida berperan sangat mirip dengan membran yang direntangkan. Jarum akan masuk
tenggelam ke dalam fluida jika permukaan fluida tertusuk, yang mirip dengan robeknya membran.

Karena permukaan fluida mirip dengan membran yang direntangkan, maka permukaan fluida menarik

benda pada tepinya dengan gaya yang sejajar permukaan. Contohnya, air yang ada dalam gelas.
Pada tempat kontak dengan gelas, permukaan air menarik dinding gelas. Berapakah besar gaya
tariuk oleh permukaan fluida?

Dari hasil pengamatan diperoleh bahwa besarnya gaya tarik oleh permukaan fluida pada tempat kontak

dengan zat padat adalah

F = gL

(10.21)

dengan
F gaya oleh permukaan fluida;
L panjang garis kontak antara permukaan fluida dengan zat padat;
g konstanta yang dikenal dengan tegangan permukaan fluida.

Tegangan permukaan beberapa fluida tampak pada Tabel 10.3

Tabel 10.3 Tegangan permukaan beberapa fluida

Fluida
Tegangan permukaan (N/m)
Air raksa (20 oC)
0,440
Alkohol (20 oC)
0,023
Air (0 oC)
0,076
Air (20 oC)
0,072
Air (100 oC)
0,059
Benzen (20 oC)
0,029
Oksigen cair (-193 oC)
0,016

Contoh 10.16
Sebuah kawat kecil yang panjangnga 10 cm dicelupkan ke dalam benzen. Kawat tersebut kemudian diratik

perlahan-lahan dalam posisi sejajar keluar dari permukaan benzen. Berapakah gaya oleh permukaan benzen
pada kawat, sebelum kawat lepas dari permukaan benzen?

Jawab

Panjang kawat adalah 𝑙 = 10 cm = 0,1 m. Tetapi karena pada masing-masing sisi kawat terdapat lapisan

permukaan fluida, maka panjang total permukaan fluida yang kontak dengan kawat adalah

L = 2 ´𝑙 = 0,2 m

Berdasarkan Tabel 10.3 tegangan permukaan benzen adalah g = 0,029 N/m. Dengan demikian gaya yang

dilakukan permukaan fluida pada kawat adalah

F = gL

= 0,029 ´ 0,2 = 0,0058 N

Kelengkungan Permukaan Fluida

Jika air dimasukkan ke dalam gelas kemudian permukaannya diamati dengan seksama, khususnya pada posisi

kontak dengan gelas maka tampak permukaan air sedikit melengkung ke atas. Kelengkungan permukaan
tersebut disebabkan karena adanya gaya tarik antara molekul air dengan atom pada permukaan gelas. Jika gaya
tarik antara molekul fluida dengan atom pada permukaan zat pada mengungguli gaya tarik antar molekul fluida
maka permukaan fluida pada tempat kontak dengan zat padat sedikit naik. Sebaliknya, jika gaya tarik antara
molekul fluida dengan atom pada permukaan zat padat lebih kecil daripada gaya tarik antar molekul fluida
maka permukaan fluida pada tempat kontak dengan zat padat sedikit turun. Gaya tarik antar atoll/molekul
dari zat yang sama dikenal dengan gaya kohesi. Contohnnya adalah gaya tarik antar molekul fluida atau antar
atom zat padat. Sebaliknya, gaya tarik antar molekul zat yang berbeda disebut adhesi. Contoh gaya adhesi
adalah gaya tarik antara molekul fluida dengan atom pada dinding zat padat.

Ada dua macam bentuk kelengkungan permukaan fluida pada posisi kontak dengan permukaan zat padat.

Permukaan cekung
Pada tempat kontak dengan zat padat, permukaan fluida menjauhi fluida. Permukaan cekung terjadi jika gaya adhesi

lebih besar daripada gaya kohesi. Contoh permukaan ini adalah air yang dimasukkan ke dalam gelas (Gambar
10.40).

Cairan yang membentuk permukaan cekung dikatakan sebagai “cairan yang membasahi dinding”. Ketika cairan

tersebut dibuang dari wadah, dinding

tampak basah. Pada tempat kontak dengan dinding, permukaan cairan membentuk sudut q antara 0 sampai 90o.

Permukaan cembung

Pada tempat kontak dengan zat padat, permukaan fluida mendekati fluida.

Permukaan cembung terjadi jika gaya adhesi lebih kecil daripada gaya
kohesi. Contoh permukaan ini adalah air raksa yang dimasukkan ke dalam
gelas (Gambar 10.41).

Gambar 10.41 Permukaan cembung

Cairan yang membentuk permukaan cembung dikatakan sebagai “cairan yang

tidak membasahi dinding”. Ketika cairan tersebut dibuang dari wadah,
dinding tampak kering. Pada tempat kontak dengan dinding, permukaan
cairan membentuk sudut qantara 90 sampai 180o.

Kohesi dan Adhesi

Molekul-molekul zat cair atau zat pada dapat berkumpul dalam satu

kelompok karena adanya gaya antar atom atau molekul zat
tersebut. Gaya antar atom atau molekul dari zat yang sama
dinamakan gaya kohesi. Gambar

10.42 (kiri) memperlihatkan gaya kohesi antar molekul.
Mengapa muncul gaya kohesi antar molekul air? Penyebabnya adalah

muatan listrik pada molekul air tidak tersebar merata. Di sekitar
atom hidrogen berkumpul muatan yang sedikit positif sedangkan
di sekitar atom oksigen berkumpul muatan yang sedikit negatif
(Gambar 10.42 kanan). Ketika sejumlah molekul dikumpul maka
muatan positif di sekitar atom hidrogen mengikat muatan negatif
di sekitar atom oksigen pada molekul di dekatnya.

Kohesi dan Adhesi

Molekul-molekul zat cair atau zat pada dapat berkumpul dalam satu kelompok karena adanya

gaya antar atom atau molekul zat tersebut. Gaya antar atom atau molekul dari zat yang
sama dinamakan gaya kohesi. Gambar

10.42 (kiri) memperlihatkan gaya kohesi antar molekul.
Mengapa muncul gaya kohesi antar molekul air? Penyebabnya adalah muatan listrik pada molekul

air tidak tersebar merata. Di sekitar atom hidrogen berkumpul muatan yang sedikit positif
sedangkan di sekitar atom oksigen berkumpul muatan yang sedikit negatif (Gambar 10.42
kanan). Ketika sejumlah molekul dikumpul maka muatan positif di sekitar atom hidrogen
mengikat muatan negatif di sekitar atom oksigen pada molekul di dekatnya.

Gambar 10.42 (kiri) Gaya kohesi antar molekul air dan (kanan) sebaran

muatan listrik pada molekul air tidak merata. Sebaran muatan yang
tidak merata ini yang menyebabkan munculnya gaya tarik listrik
antar molekul air (socratic.org).

Molekul dari zat yang berbeda juga dapat tarik menarik. Contohnya,

ketika garam dilarutkan dalam air maka molekul garam menarik
molekuk- molekul air di sekelilingnya. Gaya antara moleklul dari zat
yang berbeda ini disebut gaya adhesi. Gambar 10.43 adalah ilustrasi
gaya adhesi dalam larutan garam dapur (NaCl) dalam air.Ion positif
garam (ion Na) menarik atom-atom oksigen pada molekul air dan ion
negative garam (ion Cl) menarik atom-atom hidrogen pada molekul
air.

Gambar 10.43. Dalam larutan garam, ion garam dikelilingi oleh molekul air. Ini adalah contoh gaya

adhesi(catalog.flatworldknowledge.com)

Air dapat menempel di daun juga karena adanya gaya adhesi antara molekul air dengan molekul di permukaan

daun. Seperti diilustrasikan pada Gambar 10.44, muatan negatif pada molekul air (atom oksigen)
bertarikan dengan molekul di permukaan daun sehingga air menempel di daun.

Gambar 10.44 Muatan negative di permukaan air (atom oksigen) menarik molekul di permukaan daun

sehingga air menempel di permukaan daun (chemistryland-com).

Laju Aliran Fluida

Setelah mempelajari fluida statis mari sekarang kita perluas pengetahuan kita tentang fluida dengan

mempelajari fluida dinamik. Kita akan lihat bahwa persamaan-persamaan Newton yang telah kita
pakai pada dinamika partikel dapat diterapkan pula pada fluida.

Salah satu besaran yang penting dalam mempelajari fluida bergerak adalah laju aliran fluida. Laju

aliran mengukur jarak yang ditempuh satu elemen dalam fluida per satuan waktu. Kita akan
menentukan persamaan yang berlaku untuk fluida yang mengalir dalam saluran tertutup, baik
yang penampangnya selalu tetap atau berubah. Asumsi yang digunakan adalah tidak ada
kebocoran selama aliran.

Perhatikan Gambar 10.45. Pada gambar tersebut sebuah elemen fluida berpindah sejauh Dx dalam

selang waktu Dt. Laju aliran fluida didefinisikan sebagai

v = Dx

Dt

(10.22)

Gambar 10.46 Elemen fluida berupa silinder dengan ketebalan Dx berpindah sejuh Dx selama selang waktu Dt.
Kita lihat irisan fluida tegak lurus penampang pipa yang tebalnya Dx. Anggap luas penampang pipa A. Volume fluida dalam elemen tersebut

adalah

DV = ADx . Elemen tersebut tepat bergeser sejauh Dx selama selang waktu Dt.

Jika laju aliran fluida adalah v maka yang mengalir adalah

Dx = vDt , sehingga elemen volum fluida

DV = AvDt

Debit aliran fluida didefinisikan sebagai
Q = DV
Dt
= AvDt
Dt
= Av

(10.23)

Contoh 10.17
Air yang mengalir keluar dari keran ditampung dengan ember. Setelah satu menit ternyata jumlah air yang tertampung adalah 20 L. Jika

diameter penampang keran adalah 1 cm, berapakah laju aliran fluida dalam pipa keran?

Jawab
Dalam satu menit, Dt = 1 menit = 60 s, jumlah air yang keluar keran adalah DV
= 20 L = 20 ´ 10-3 m3 = 0,02 m3. Dengan demikian, debit aliran air adalah

Q = DV

Dt

= 0,02

60

= 0,00033 m3/s

Jari-jari penampang keran r = 1/2 = 0,5 cm = 5 ´ 10-3 m. Luas penampang keran

A = pr 2= 3,14 ´(5´10-3)2

= 7,85 ´ 10-5 m2.

D
x

D
t

Multiple Choice

Gumpalan es terapung di atas permukaan air laut dengan setengah bagian ada di dalam air laut. Jika massa jenis air laut 1,03 g/cm³ dan volume es 1 m³, besar gaya ke atas adalah ….

• A. 2.575 N

• B. 5.150 N

• C. 7.725 N

• D. 10.300 N

Multiple Choice

Diketahui massa jenis zat cair ρ₁ dan massa jenis benda ρ₂, benda akan tenggelam di dalam zat cair jika ….

• A. ρ₁ < ρ₂

• B. ρ₁ > ρ₂

• C. ρ₁ = ρ₂

• D. ρ₁ ≤ ρ₂

Multiple Choice

Sebuah tabung diisi alkohol setinggi 20 cm. Jika massa jenis alkohol 0,8 g/cm³ dan g = 10 m/s², besar tekanan hidrostatis yang bekerja pada kedalaman 5 cm dari dasar tabung adalah ….

• A. 4 x 10² N/m²

• B. 4 x 10² N/m²

• C. 4 x 10⁴ N/m²

• D. 1,2 x 10³ N/m²

Multiple Choice

Sebuah ban mobil yang diisi udara dengan volume 0,1 m3 dan massa 1 kg, dapat mengapungkan beban maksmimum dalam air sebesar ….

• A. 1.001 kg

• B. 1.000 kg

• C. 101 kg

• D. 99 kg

  Pemba

Multiple Choice

Berat sebuah benda ketika ditimbang di udara dengan neraca pegas adalah 20 N. Jika benda tersebut ditimbang dalam air beratnya 16 N, gaya ke atas yang dilakukan air terhadap benda tersebut adalah ….

• A. 0,8 N

• B. 1,25N

• C. 4 N

• D. 36 N