Tegangan Permukaan
Pada antarmuka antara cairan dan gas, atau antara dua cairan yang tidak dapat bercampur, gaya-gaya berkembang di permukaan cairan yang menyebabkan permukaan tersebut berperilaku seolah-olah itu adalah "kulit" atau "membran" yang direntangkan di atas massa fluida. Meskipun kulit semacam itu sebenarnya tidak ada, analogi konseptual ini memungkinkan kita untuk menjelaskan beberapa fenomena yang sering diamati. Sebagai contoh, jarum baja atau pisau cukur akan mengapung di atas air jika diletakkan dengan lembut di permukaan karena tegangan yang terjadi dalam kulit hipotetis tersebut mendukungnya. Tetesan kecil merkuri akan membentuk bola ketika diletakkan di permukaan yang halus karena gaya kohesif di permukaan cenderung menjaga semua molekul bersama-sama dalam bentuk yang padat. Demikian pula, gelembung diskret akan terbentuk dalam cairan. (Lihat foto di awal Bab 1.)
Berbagai jenis fenomena permukaan ini disebabkan oleh gaya kohesif yang tidak seimbang yang bertindak pada molekul cairan di permukaan fluida. Molekul-molekul di dalam massa fluida dikelilingi oleh molekul-molekul yang saling tertarik satu sama lain secara sama. Namun, molekul-molekul di sepanjang permukaan dikenai gaya bersih menuju ke dalam. Konsekuensi fisik yang tampak dari gaya tidak seimbang ini di sepanjang permukaan adalah menciptakan kulit atau membran hipotetis. Sebuah gaya tarik dapat dianggap beraksi dalam bidang permukaan sepanjang setiap garis di permukaan tersebut. Intensitas daya tarik molekuler per satuan panjang sepanjang setiap garis di permukaan disebut sebagai tegangan permukaan dan ditandai dengan simbol Yunani s (sigma). Untuk suatu cairan tertentu, tegangan permukaan tergantung pada suhu serta fluida lainnya yang berada di kontak dengan antarmuka. Dimensi tegangan permukaan adalah FL^(-1) dengan satuan BG lbft dan satuan SI Nm. Nilai tegangan permukaan untuk beberapa cairan umum (berada dalam kontak dengan udara) diberikan dalam Tabel 1.5 dan 1.6, serta di Lampiran B (Tabel B.1 dan B.22) untuk air pada berbagai suhu. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar di sisi margin, nilai tegangan permukaan menurun seiring dengan peningkatan suhu.
Tekanan di dalam tetesan fluida dapat dihitung menggunakan diagram gaya bebas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.9. Jika tetesan bola dipotong menjadi dua bagian (seperti yang ditunjukkan), gaya yang dihasilkan di sekitar tepi akibat tegangan permukaan adalah 2ΟRπΏ. Gaya ini harus seimbang dengan perbedaan tekanan, βp, antara tekanan internal, pi, dan tekanan eksternal, pe, yang bertindak di atas area lingkaran, ΟR^2. Dengan demikian,
Atau
Dari hasil ini, tampak bahwa tekanan di dalam tetesan lebih besar daripada tekanan di sekitar tetesan. Apakah tekanan di dalam gelembung air akan sama dengan tekanan di dalam tetesan air dengan diameter yang sama dan pada suhu yang sama?
Phenomena umum yang terkait dengan tegangan permukaan adalah naik (atau turun)nya cairan di dalam tabung kapiler. Jika sebuah tabung kecil terbuka dimasukkan ke dalam air, permukaan air di dalam tabung akan naik di atas permukaan air di luar tabung, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1.10a. Dalam situasi ini, kita memiliki antarmuka cairan-gas-padat. Untuk kasus yang diilustrasikan, terdapat daya tarik (adhesi) antara dinding tabung dan molekul cairan yang cukup kuat untuk mengatasi daya tarik (kohe- si) antara molekul-molekul tersebut dan menariknya naik ke dinding. Oleh karena itu, cairan dikatakan basah terhadap permukaan padat.
Tinggi, h, diatur oleh nilai tegangan permukaan, π, jari-jari tabung, R, berat jenis cairan, πΎ, dan sudut kontak, π, antara cairan dan tabung. Dari diagram gaya bebas pada Gambar 1.10b, kita melihat bahwa gaya vertikal akibat tegangan permukaan sama dengan 2ΟRπ cos π dan beratnya adalah πΎπR^2h, dan kedua gaya ini harus seimbang untuk mencapai keseimbangan. Dengan demikian,
sehingga tingginya diberikan oleh hubungan
Sudut kontak merupakan fungsi dari baik cairan maupun permukaan. Untuk air yang berkontak dengan kaca bersih, π β 0Β°. Dari Persamaan 1.22, jelas bahwa tinggi kenaikan cairan dalam tabung secara invers proporsional terhadap radius tabung, dan karena itu, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di pinggiran halaman, kenaikan cairan dalam tabung akibat aksi kapilari menjadi semakin nyata seiring dengan penurunan radius tabung.
Jika adhesi molekul terhadap permukaan padat lemah dibandingkan dengan kohesi antara molekul, cairan tidak akan melembabkan permukaan dan tingkat cairan dalam tabung yang ditempatkan dalam cairan yang tidak melembabkan akan sebenarnya terdepresi, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1.10c. Merkuri adalah contoh yang baik dari cairan yang tidak melembabkan ketika berkontak dengan tabung kaca. Untuk cairan yang tidak melembabkan, sudut kontak lebih besar dari 90Β°, dan untuk merkuri yang berkontak dengan kaca bersih, π β 130Β°.
Efek tegangan permukaan berperan dalam banyak masalah mekanika fluida, termasuk pergerakan cairan melalui tanah dan media berpori lainnya, aliran film tipis, pembentukan tetesan dan gelembung, dan pemecahan jet cairan. Sebagai contoh, tegangan permukaan adalah faktor utama dalam pembentukan tetesan dari keran yang bocor, seperti yang ditunjukkan dalam foto di sisi. Fenomena permukaan yang terkait dengan antarmuka cairan-gas, cairan-cairan, dan cairan-gas-padat sangat kompleks, dan diskusi yang lebih rinci dan ketat tentang hal ini berada di luar cakupan teks ini. Untungnya, dalam banyak masalah mekanika fluida, fenomena permukaan, seperti yang ditandai oleh tegangan permukaan, tidak penting, karena gaya inersial, gravitasi, dan viskositas jauh lebih dominan.
Baca juga: Sekilas Kembali ke Sejarah