Sifat-sifat fisis fluida statis

Sifat-sifat fisis fluida statis – Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis ini di antaranya, massa jenis, tekanan, tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas. uraian materi yang disajikan dalam tulisan ini hanya bertujuan mengingatkan Anda tentang materi tersebut.

1. Massa Jenis

Pernahkah Anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah pernyataan bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya kurang tepat, karena segelondong kayu yang besar jauh lebih berat daripada sebuah bola besi. Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antara kayu dan besi tersebut, yaitu besi lebih padat daripada kayu. Anda tentu masih ingat, bahwa setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbeda-beda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Secara matematis, massa jenis dituliskan sebagai berikut.

dengan: m = massa (kg atau g),

V = volume (m³ atau cm³), dan

ρ = massa jenis (kg/m³ atau g/cm³).

Jenis beberapa bahan dan massa jenisnya dapat dilihat pada Tabel 7.1 berikut.

Tabel 7.1 Massa Jenis atau Kerapatan Massa (Density)

Bahan	Massa Jenis (g/cm3)	Nama Bahan	Massa Jenis (g/cm3)
Air	1,00	Gliserin	1,26
Aluminium	2,7	Kuningan	8,6
Baja	7,8	Perak	10,5
Benzena	0,9	Platina	21,4
Besi	7,8	Raksa	13,6
Emas	19,3	Tembaga	8,9
Es	0,92	Timah Hitam	11,3
Etil Alkohol	0,81

2. Tekanan Hidrostatis

Masih ingatkah Anda definisi tekanan? Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut.

dengan: F = gaya (N),

A = luas permukaan (m²), dan

p = tekanan (N/m2 = Pascal).

Persamaan (7–2) menyatakan bahwa tekanan p berbanding terbalik dengan luas permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gaya yang sama, luas bidang yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih besar daripada luas bidang yang besar. Dapatkah Anda memberikan beberapa contoh penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari?

_{Gambar 7.1 Dasar bejana yang terisi dengan fluida setinggi h akan mengalami tekanan hidrostatis sebesar pA}

Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Perhatikanlah Gambar 7.1. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurut konsep tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A).

Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan percepatan gravitasi Bumi, ditulis

Oleh karena m = ρ V, persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai

Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi

Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya dituliskan sebagai berikut.

p_h = ρ gh

dengan: p_h = tekanan hidrostatis (N/m²),

ρ = massa jenis fluida (kg/m³),

g = percepatan gravitasi (m/s²), dan

h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m).

Semakin tinggi dari permukaan Bumi, tekanan udara akan semakin berkurang. Sebaliknya, semakin dalam Anda menyelam dari permukaan laut atau danau, tekanan hidrostatis akan semakin bertambah. Mengapa demikian? Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat yang dihasilkan oleh udara dan zat cair. Anda telah mengetahui bahwa lapisan udara akan semakin tipis seiring bertambahnya ketinggian dari permukaan Bumi sehingga tekanan udara akan berkurang jika ketinggian bertambah. Adapun untuk zat cair, massanya akan semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Oleh karena itu, tekanan hidrostatis akan bertambah jika kedalaman bertambah.

Contoh menghitung tekanan hidrostatis

Tabung setinggi 30 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan hidrostatis pada dasar tabung, jika g = 10 m/s² dan tabung berisi:

a. air,

b. raksa, dan

c. gliserin.

Gunakan data massa jenis pada Tabel 7.1.

Jawab

Diketahui: h = 30 cm dan g = 10 m/s².

a. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air:

P_h = ρ gh = (1.000 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m) = 3.000 N/m²

b. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air raksa:

P_h = ρ gh = (13.600 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m) = 40.800 N/m²

c. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi gliserin:

P_h = ρ gh = (1.260 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m) = 3.780 N/m²

Perhatikan Gambar 7.2. Pada gambar tersebut, tekanan hidrostatis di titik A, B, dan C berbeda-beda. Tekanan hidrostatis paling besar adalah di titik C. Dapatkah Anda menjelaskan alasannya?

Gambar 7.2 Semakin dalam kedudukan sebuah titik dalam fluida, tekanan hidrostatis di titik tersebut akan semakin besar.

Prinsip tekanan hidrostatis ini digunakan pada alat-alat pengukur tekanan. Alat-alat pengukur tekanan yang digunakan untuk mengukur tekanan gas, di antaranya sebagai berikut.

a. Manometer Pipa Terbuka

Manometer pipa terbuka adalah alat pengukur tekanan gas yang paling sederhana. Alat ini berupa pipa berbentuk U yang berisi zat cair. Perhatikan Gambar 7.3. Ujung yang satu mendapat tekanan sebesar p (dari gas yang hendak diukur tekanannya) dan ujung lainnya berhubungan dengan tekanan atmosfir (p₀).

Gambar 7.3 Manometer pipa terbuka Besarnya tekanan udara di titik y1 = p0, sedangkan tekanan udara di titik y₂ = p. y₁ memiliki selisih ketinggian Δh y₁ = 0 dan y₂ memiliki selisih ketinggian Δy₂ = h.

Berdasarkan Persamaan (7–3) tentang besar tekanan hidrostatik, besarnya tekanan udara dalam tabung pada Gambar 7.3 dinyatakan dengan persamaan berikut ini.

p_gas = p – p₀ = ρ gh

dengan ρ = massa jenis zat cair dalam tabung.

b. Barometer

Barometer raksa ini ditemukan pada 1643 oleh Evangelista Torricelli, seorang ahli Fisika dan Matematika dari Italia. Ia mendefinisikan tekanan atmosfir dalam bukunya yang berjudul “A Unit of Measurement, The Torr” Tekanan atmosfer (1 atm) sama dengan tekanan hidrostatis raksa (mercury) yang tingginya 760 mm. Cara mengonversikan satuannya adalah sebagai berikut.

ρ _raksa × percepatan gravitasi Bumi × panjang raksa dalam tabung atau

(13.600 kg/cm³ )(9,8 m/s²)(0,76 m) = 1,103 × 10⁵ N/m²

Jadi, 1 atm = 76 cmHg = 1,013 × 10⁵ N/m²

Gambar 7.4 Skema barometer raksa

c. Pengukur Tekanan Ban

Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan udara di dalam ban. Bentuknya berupa silinder panjang yang di dalamnya terdapat pegas. Saat ujungnya ditekankan pada pentil ban, tekanan udara dari dalam ban akan masuk ke dalam silinder dan menekan pegas. Besarnya tekanan yang diterima oleh pegas akan diteruskan ke ujung lain dari silinder yang dihubungkan dengan skala. Skala ini telah dikalibrasi sehingga dapat menunjukkan nilai selisih tekanan udara luar (atmosfer) dengan tekanan udara dalam ban.

3. Tekanan Total

Tinjaulah sebuah tabung yang diisi dengan fluida setinggi h, seperti tampak pada Gambar 7.6. Pada permukaan fluida yang terkena udara luar, bekerja tekanan udara luar yang dinyatakan dengan p. Jika tekanan udara luar ikut diperhitungkan, besarnya tekanan total atau tekanan mutlak pada satu titik di dalam fluida adalah

p_A = p₀ + ρ gh

dengan: p₀ = tekanan udara luar = 1,013 × 10⁵ N/m², dan

pA = tekanan total di titik A (tekanan mutlak).

Gambar 7.5 Alat pengukur tekanan udara di dalam ban.

Contoh menghitung tekanan hidrostatik total

Jika diketahui tekanan udara luar 1 atm dan g = 10 m/s², tentukanlah tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman:

a. 10 cm,

b. 20 cm, dan

c. 30 cm.

Jawab

Diketahui: p0 = 1 atm dan g = 10 m/s².

a. Tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman 10 cm:

p_A = p₀ + ρ gh = (1,013 × 10⁵ N/m²) + (1.000 kg/m³) (10 m/s²) (0,1 m)

= 1,023 × 10⁵ N/m²

b. Tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman 20 cm:

p_A = p₀ + ρ gh = (1,013 × 10⁵ N/m²) + (1.000 kg/m³) (10 m/s²) (0,2 m)

= 1,033.10⁵ N/m²

c. Tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman 30 cm:

pA = p0 + ρ gh = (1,013 × 10⁵ N/m²) + (1.000 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m)

= 1,043.10⁵ N/m²