Tekanan pada Gas

Tekanan pada gas berbeda untuk ruangan terbuka dan ruangan tertutup. Untuk lebih jelasnya, pelajari uraian berikut ini.

1. Tekanan pada Gas dalam Ruang Terbuka

Tekanan pada gas dalam ruang terbuka lebih akrab disebut dengan tekanan udara yang didefinisikan sebagai gaya per satuan luas yang bekerja pada suatu bidang oleh gaya berat kolom udara yang berada di atasnya. Tekanan udara diukur menggunakan alat yang disebut barometer. Alat ini pertama kali dibuat secara sederhana oleh Evangista Torricelli (1608-1647). Saat ini, terdapat 4 macam barometer, yaitu barometer raksa sederhana (sesuai yang dibuat oleh Torricelli), barometer Foertin (barometer raksa yang dapat mengukur tekanan udara sampai dengan ketelitian 0,01 cmHg), barometer aneroid (barometer kering tanpa zat cair), dan barometer air (barometer yang menggunakan air sebagai pengganti raksa). Adanya perbedaan tekanan udara di suatu tempat dapat menimbulkan angin. Angin bertiup dari daerah yang tekanan udaranya tinggi ke daerah yang tekanannya lebih rendah. Pengaruh tekanan udara dapat dirasakan pada beberapa peristiwa, di antaranya:

1.     Ketika memasak air, di pegunungan akan lebih cepat mendidih dibandingkan memasak air di pantai. Hal ini disebabkan tekanan udara di pegunungan lebih rendah daripada di pantai sehingga gas oksigennya pun lebih rendah.

2.     Ketika kita pergi ke daerah yang lebih tinggi (misalnya dari pantai ke pegunungan), pada ketinggian tertentu kita akan merasakan dengungan di telinga kita. Hal ini disebabkan oleh  selaput gendang telinga yang lebih menekuk keluar pada tekanan udara yang lebih rendah.

3.     Pada tekanan udara tinggi, suhu terasa dingin, tetapi langit cerah. Sebaliknya, saat tekanan udara rendah, dapat dimungkinkan terjadinya hujan, bahkan badai.

Ketiga peristiwa di atas memberikan gambaran bahwa tekanan udara memiliki hubungan yang cukup erat dengan ketinggian suatu tempat. Hal ini ternyata telah dibenarkan melalui suatu penelitian yang dilakukan para ahli. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa setiap kenaikkan 10 m, tekanan udara berkurang 1mmHg sehingga makin tinggi suatu tempat dari permukaan air, makin rendah tekanan udaranya. Pernyataan ini dapat digunakan untuk memperkirakan ketinggian suatu tempat di atas permukaan laut, asalkan tekanan udara di sekitarnya diketahui.

2. Tekanan pada Gas dalam Ruang Tertutup

Ilustrasi yang akan mudah membantumu memahami materi ini adalah tekanan pada balon gas yang telah diisi udara, kemudian perlahan-lahan kamu buat beberapa lubang pada balon tersebut. Setelah itu, kamu tekan balon dan rasakan tekanan gas yang keluar dari masing-masing lubang.

Jika dalam tekanan udara digunakan barometer untuk mengukurnya, maka tekanan pada gas dalam ruang tertutup dapat diukur menggunakan manometer. Ada tiga macam manometer, yaitu manometer terbuka, manometer tertutup, dan manometer bourdon.

a. Manometer Terbuka

Alat ini berbentuk tabung U yang kedua ujungnya terbuka. Tabung ini diisi dengan zat cair (biasanya raksa karena mempuyai massa jenis tinggi). Salah satu ujung tabung selalu berhubungan dengan udara luar sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfer. Ujung yang lain dihubungkan dengan ruangan yang akan diukur tekanannya.

Saat ujung tabung dihubungkan dengan ruangan, ketinggian raksa pada kedua ujungnya akan berubah. Besar tekanan gas ruangan yang menyebabkan ketinggian raksa dapat berubah

c. Manometer Bourdon

Manometer ini terbuat dari logam (bahannya bukan zat cair) yang digunakan untuk mengukur tekanan uap (gas) yang sangat tinggi, seperti uap dalam pembangkit listrik tenaga uap. Di masyarakat, secara umum alat ini digunakan untuk memeriksa tekanan udara dalam ban oleh para penambal ban.

Hukum Archimedes

Pernahkah kamu berjalan di dalam air? Jika kamu pernah berjalan atau berlari di dalam air, kamu tentunya akan merasakan bahwa langkahmu lebih berat dibandingkan jika kamu melangkah di tempat biasa. Gejala ini disebabkan adanya tekanan dari zat cair. Ilmuwan pertama yang mengamati gejala ini adalah matematikawan berkebangsaan Yunani bernama Archimedes (187-212 SM). Pengamatan ini memunculkan sebuah hukum yang dikenal Hukum Archimedes, yaitu: “Jika sebuah benda dicelupkan ke dalam zat cair, maka benda tersebut akan mendapat gaya yang disebut gaya apung sebesar berat zat cair yang dipindahkannya”. Akibat adanya gaya apung, berat benda dalam zat cair akan berkurang. Benda yang diangkat dalam zat cair akan terasa lebih ringan dibandingkan diangkat di darat. Berat ini disebabkan berat semu.

a. Konsep Terapung, Melayang, dan Tenggelam

Jika kamu memasukkan batu dan kertas secara bersamaan ke dalam seember air, apa yang terjadi? Ya, kamu akan melihat kertas di permukaan dan batu akan berada di dasar ember. Peristiwa ini dapat dijelaskan oleh konsep massa jenis benda yang telah dipelajari sebelumnya. Massa jenis benda menentukan besar kecilnya gaya berat benda. Sedangkan, massa jenis zat cair menentukan besar kecilnya gaya Archimedes (gaya apung) zat tersebut. Jika gaya berat suatu benda lebih besar dari gaya Archimedes, maka benda akan tenggelam. Tetapi, jika gaya Archimedes yang lebih besar, maka benda akan terapung, dan benda akan melayang jika gaya berat benda sama dengan gaya archimedes. Dengan kata lain, dapat disebutkan bahwa:

1) Benda akan tenggelam jika ρbenda > ρzat cair

2) Benda akan melayang jika ρbenda = ρzat cair

3) Benda akan terapung jika ρbenda < ρzat cair

b. Penerapan Hukum Archimedes

Berikut ini adalah beberapa contoh penerapan Hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari.

1. Menentukan massa jenis benda

2. Penerapan dalam bidang teknik

Penerapan Hukum Archimedes dalam bidang teknik adalah sebagai berikut.

a) Kran otomatis pada penampungan air

Jika di rumah kita menggunakan mesin pompa air, maka dapat kita lihat bahwa tangki penampungnya harus diletakkan pada ketinggian tertentu. Tujuannya adalah agar diperoleh tekanan besar untuk mengalirkan air. Dalam tangki tersebut terdapat pelampung yang berfungsi sebagai kran otomatis. Kran ini dibuat mengapung di air sehingga ia akan bergerak naik seiring dengan ketinggian air. Ketika air kosong, pelampung akan membuka kran untuk mengalirkan air. Sebaliknya, jika tangki sudah terisi penuh, pelampung akan membuat kran tertutup sehingga secara otomatis kran tertutup.

b) Kapal selam

Pada kapal selam terdapat tangki yang jika di darat ia terisi udara sehingga ia dapat mengapung di permukaan air. Ketika kapal dimasukkan ke dalam air, tangki ini akan terisi air sehingga kapal dapat menyelam.

c) Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Alat ini berbentuk tabung yang berisi pemberat dan ruang udara sehingga akan terapung tegak dan stabil seketika. Hidrometer bekerja sesuai dengan prinsip Archimedes.

3. Bejana Berhubungan

Bejana berhubungan adalah suatu wadah atau bejana yang tidak memiliki sekat atau saling berhubungan. Jika bejana ini diisi zat cair yang sejenis, maka permukaan zat cair ini akan sama tinggi. Namun, jika zat cair yang diisikan berbeda jenis, maka permukaannya tidak akan sama tinggi.

Untuk mengamati konsep ini, ikutilah kegiatan berikut.

Tujuan:

Menyelidiki permukaan zat cair tak sejenis dalam bejana berhubungan.

Alat dan Bahan:

Pipa berbentuk U, minyak, dan air.

Cara Kerja:

1.     Simpan pipa U dalam posisi berdiri tegak. Isi pipa U tersebut dengan air, lalu biarkan sampai permukaan air dalam kedua pipa sama tinggi.

2.     Tuangkan minyak pada salah satu pipa. Amati apa yang terjadi!

3.     Buatlah kesimpulanmu tentang pengamatan ini.

Jika kamu perhatikan, permukaan minyak dan permukaan air tidak mendatar dan kedua pemukaan tersebut tidak sejajar. Permukaan minyak akan lebih tinggi daripada permukaan air karena adanya perbedaan massa jenis zat cair dalam kedua pipa, yaitu massa jenis minyak yang lebih kecil daripada massa jenis air.

Berdasarkan pengertian tekanan hidrostatis, maka tekanan yang dilakukan zat cair yang sejenis pada kedalaman yang sama adalah sama besar. Dengan menerapkan pengertian tekanan hidrostatis dan membuat bidang batas antara zat cair yang berbeda jenis, 

Hukum Pascal

Perhatikan kembali contoh tabung yang dilubangi tadi! Jika kita menekan permukaan atasnya dengan kayu, apa yang akan terjadi? Ya, air yang keluar dari lubang-lubang tadi akan makin deras. Untuk lebih memahami kondisi ini, ikutilah kegiatan berikut!

Lakukan aktivitas berikut secara berkelompok.

Tujuan:

Mempelajari Hukum Pascal

Alat dan Bahan:

Sebuah kantong plastik, air, dan jarum

Cara Kerja:

1. Isikan air pada kantong plastik yang telah kamu sediakan.

2. Buatlah beberapa lubang pada kantong plastik tersebut dengan menusukkan jarum secara perlahan.

3. Peraslah ujung kantong plastik yang kamu pegang dan perhatikan lubang lubang telah kamu buat.

a. Apakah air memancar dari semua lubang?

b. Apakah pancaran air dari masing-masing lubang sama kuat?

4. Buatlah kesimpulan dari kegiatan tadi!

Gejala ini pertama kali diteliti oleh seorang ahli fisika, yaitu Blaise Pascal (1623-1662) hingga muncul hukum yang disebut Hukum Pascal. Hukum Pascal berbunyi: “Apabila tekanan diberikan pada satu bagian zat cair dalam suatu ruangan tertutup, akan diteruskan oleh zat cair ke segala arah dengan sama

besar”.

Penerapan Hukum Pascal dalam keseharian banyak dimanfaatkan, terutama dalam bidang otomotif, di antaranya pada dongkrak hidrolik dan rem piringan hidrolik.

a. Dongkrak Hidrolik

Dongkrak hidrolik adalah alat yang digunakan untuk mengangkat mobil ketika mengganti ban mobil. Alat ini memanfaatkan dua buah silinder, yaitu silinder besar dan silinder kecil.

Ketika dongkrak ditekan, minyak pada silinder kecil akan tertekan dan mengalir menuju silinder besar. Tekanan pada silinder besar akan menimbulkan gaya sehingga dapat mengangkat benda/beban berat.

b. Rem Piringan Hidrolik

Pemanfaatan hukum Pascal juga diterapkan dalam rem (piringan) hidrolik. Rem ini menggunakan fluida minyak. Ketika kaki menginjak pedal rem, piston (pipa penghubung) akan menekan minyak yang ada di dalamnya. Tekanan ini diteruskan pada kedua piston keluaran yang berfungsi mengatur rem. Rem ini akan menjepit piringan logam yang akibatnya dapat menimbulkan gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan sehingga putaran roda berhenti. Ketika piston pertama (A1) ditekan, maka permukaan piston kedua (A2) akan naik. Dari keadaan ini, berdasarkan hokum pascal dapat diperoleh hubungan volume minyak yang didesak sama dengan volume minyak yang naik. Jika volume minyak yang didesak (V1) sama dengan A1 h1 dan volume minyak yang naik (V2) sama dengan A2 h2,

Tekanan

A. Tekanan pada Zat Padat

Tekanan pada zat padat merupakan ilustrasi yang nyata untuk dapat memahami pengertian tekanan. Jika kamu main atau berada di desa dan melihat hamparan sawah yang luas, kamu akan melihat tanah-tanah lumpur yang lembek. Di sekitar tempat itu pula akan mudah dijumpai bebek-bebek dan ayam yang berkeliaran dengan bebasnya. Sesekali bebek-bebek dan ayam-ayam itu berjalan dalam kelompoknya di tanah, sesekali mereka berjalan di lumpur. Jika kamu amati lebih lanjut jejak bebek-bebek dan ayam-ayam itu pada lumpur, kamu akan melihat bahwa kedalaman jejak antara kaki ayam dan kaki bebek yang memiliki ukuran relatif sama, akan berbeda.

Kedalaman jejak yang ditimbulkan menunjukkan adanya tekanan yang diberikan oleh berat kedua hewan ini terhadap lumpur yang diinjaknya. Lalu, mengapa kedalaman jejak kaki bebek dan ayam yang ukurannya relatif sama memiliki kedalaman yang berbeda? Untuk menjawab hal ini, coba kamu ingat dan perhatikan kembali permukaan kaki ayam dan kaki bebek, lalu bandingkan. Permukaan kaki bebek memiliki selaput yang berfungsi untuk membantu bebek ketika berenang, sedangkan kaki ayam tidak memiliki selaput tersebut. Jika kita bandingkan, maka dapat dikatakan bahwa kaki bebek memiliki luas permukaan yang lebih besar dari kaki ayam. Hal inilah yang menyebabkan kedalaman jejak itu berbeda.

Selain tekanan, uraian di atas menyebutkan besaran lain, yaitu luas permukaan dan berat. Dari dua besaran inilah kita dapat membuat definisi tentang tekanan yang tentunya sesuai dengan ilustrasi di atas. Tekanan didefinisikan sebagai besarnya gaya per satuan luas permukaan tempat gaya itu bekerja. Tekanan merupakan besaran skalar karena tidak memiliki arah tertentu. Tekanan dinotasikan dengan huruf P.

Definisi ini pertama kali ditemukan oleh Blaise Pascal. Untuk menghargainya, satuan tekanan dalam system internasional, yaitu N/m2 disebut juga Pascal. Dari rumusan tersebut, dapat diketahui bahwa:

1) Makin besar gaya tekan yang diberikan, makin besar tekanan yang dihasilkan.

2) Makin kecil luas permukaan bidang tekan, makin besar tekanan yang dihasilkan.

B. Tekanan pada Zat Cair

Jika kamu amati kondisi air di danau dan di sungai, kamu dapat melihat bahwa air di danau akan lebih tenang dibandingkan air di sungai. Mengapa demikian? Karena air di danau itu diam, sedangkan air di sungai akan terus mengalir. Air mengalir akibat adanya perbedaan tekanan sehingga dapat dikatakan bahwa air sungai memiliki tekanan. Lalu, apakah air danau yang diam dapat dikatakan tidak memiliki tekanan? Ternyata, tidak demikian. Air yang diam pun memiliki tekanan yang disebabkan oleh zat cair yang berada pada kedalaman tertentu, disebut dengan tekanan hidrostatis. Besarnya tekanan hidrostatis bergantung pada ketinggian zat cair, massa jenis zat cair, dan percepatan zat cair.