Tegangan Permukaan

Gambar 1 menunjukkan beberapa peristiwa yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari: setetes embun yang berbentuk bola di ujung daun, serangga dapat berjalan pada permukaan air, dan penjepit kertas dapat terapung pada permukaan air.

Gambar 1;(a) Setetes embun yang berbentuk bola di ujung daun. (b) Serangga dapat berjalan pada permukaan air. (c) Penjepit kertas dapat terapung pada permukaan air

Bagaimanakah peristiwa-peristiwa di atas dapat dijelaskan? Untuk menjelaskan peristiwa-peristiwa di atas kalian harus mengetahui pengertian tegangan permukaan zat cair. Perlu diketahui, permukaan zat cair sebenarnya memiliki kecenderungan selalu dalam keadaan teregang sehingga permukaan zat cair seolah-olah memiliki selaput. Nah, selaput inilah yang “menahan” benda-benda (nyamuk dan penjepit kertas) sehingga tidak tenggelam. Di samping cenderung teregang, zat cair juga memiliki kecenderungan menyusut untuk membentuk luas permukaan yang sekecil-kecilnya.  Setetes zat cair selalu berbentuk bulatan karena bentuk bola memiliki luas permukaan yang paling kecil jika dibandingkan dengan bentuk bangun lain.

Bagaimanakah tegangan permukaan dijelaskan dengan teori partikel? Kemampuan zat cair dalam menahan benda-benda kecil seperti serangga, penjepit kertas, dan silet dapat dijelaskan dengan menggunakan konsep gaya kohesi di antara molekul-molekul zat cair.

Gambar 2; Konsep kohesi untuk menjelaskan tegangan permukaan.

Gambar 2 menunjukkan molekul A terletak di dalam zat cair. Molekul A ditarik oleh molekul-molekul yang ada di samping, di atas, dan di bawah sehingga jumlah gaya-gaya kohesi sama dengan nol. Molekul B yang berada di permukaan zat cair ditarik oleh molekul-molekul yang ada di samping dan di bawahnya. Molekul B tidak ditarik oleh molekul-molekul di atasnya. Jadi, berbeda dengan molekul A, jumlah gaya-gaya kohesi pada molekul B tidak sama dengan nol. Akibatnya, permukaan zat cair cenderung menyusut dan membentuk luas permukaan yang sekecil-kecilnya.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa tegangan permukaan zat cair dipengaruhi oleh suhu. Apabila suhu zat cair semakin tinggi, tegangan permukaan air semakin rendah. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa semakin rendah tegangan permukaan zat cair, semakin besar kemampuan zat cair untuk membasahi benda.

Tegangan Permukaan dalam Kehidupan Sehari-hari
Seperti telah dijelaskan di atas, semakin tinggi suhu air menyebabkan tegangan permukaan air semakin rendah. Mencuci pakaian dengan air hangat akan menghasilkan cucian yang lebih bersih daripada mencuci pakaian dengan air dingin.

Gambar 3: Mencuci dengan deterjen akan lebih bersih

Mengapa? Sebab mencuci pakaian dengan air hangat menyebabkan kotoran pakaian mudah larut dalam air. Sabun dan deterjen mengandung zat kimia yang  berfungsi untuk menurunkan tegangan tegangan permukaan air. Oleh karena itu, mencuci pakaian dengan deterjen dapat menghasilkan cucian yang lebih bersih. Zat yang mampu menurunkan tegangan permukaan zat cair dinamakan surfaktans.

Gambar 4 memperlihatkan bagaimana kita dapat melakukan pengukuran kuantitatif untuk tegangan permukaan. Sebuah kawat dilekukkan membentuk huruf U, dan kawat ynag kedua sebagai peluncur diletakkan pada ujung-ujung kawat yang berbentuk U. Ketika perangkat sederhana itu di masukkan ke dalam larutan sabun dan dikeluarkan, membentuk lapisan cairan, lapisan memberikan gaya tegangan permukaan yang menarik peluncur dengan cepat menuju bagian atas kawat berbentuk U (jika berat peluncur tidak terlalu besar). Ketika kita menarik peluncur ke bawah, memperbesar luas lapisan, molekul-molekul akan bergerak dari bagian dalam cairan (setebal beberapa molekul, bahkan di dalam lapisan tipis) ke dalam lapisan permukaan. Lapisan permukaan tidak teregang dengan mudah seperti lembaran karet. Sebaliknya, lebih banyak permukaan dibentuk oleh molekul-molekul yang bergerak dari bulk cairan.

Gambar 4: Mengukur tegangan permukaan lapisan sabun.

Untuk mempertahankan peluncur berada pada kesetimbangan, kita memerlukan gaya ke bawah total F = w + T. Dalam kesetimbangan, F sama dengan gaya tegangan permukaan yang diberikan lapisan sabun pada peluncur. Anggap L merupakan panjang dari peluncur kawat. Lapisan cairan ini memiliki dua sisi permukaan, sehingga gaya F bekerja pada panjang total 2L.

Tegangan permukaan (surface tension) γ (huruf yunani “gamma”) dalam lapisan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan F dengan dengan panjang d di mana gaya bekerja:

 

dalam hal ini, d = 2l dan

tegangan permukaan adalah gaya per satuan panjang. Satuannya dalam SI adalah newton per meter, tetapi dalam cgs, dyne per centimeter (dyn/cm) lebih sering digunakan 1 dyn/cm = 10^-3 N/m = 1 mN/m.

Umumnya tegangan permukaan fluida mengalami penurunan saat terjadi kenaikan suhu, tabel 1. Untuk mecuci pakaian dengan benar-benar bersih, air harus dipaksa melalui ruang sempit di antara serat pakaian. Ini membutuhkan menambahan luas permukaan air, yang sulit untuk  dilakukan akibat adanya tegangan permukaan. Pekerjaan ini akan lebih mudah dilakukan dengan menurunan nilai γ. Karena itu, air yang sangat panas (γ = 58,9 mN/m pada 100⁰C) lebih baik dipakai mencuci daripada air hangat (γ = 72,8 mN/m pada suhu 20⁰C), dan air sabun (γ = 25,0 N/m pada suhu 20⁰C) adalah yang terbaik.