Zat dan Wujudnya

BAB 3 

ZAT DAN WUJUDNYA

great-adventures.com

Perhatikan pemandangan yang sangat indah ini. Kalian dapat melihat batu di gunung, air di rawa-rawa, dan awan putih di langit yang cerah. Awan berasal dari uap air. Batu, air, dan awan tersusun atas zat. Batu termasuk zat padat, air termasuk zat cair, dan uap air termasuk gas. Apakah yang dimaksud dengan zat? Apakah perbedaan antara zat padat, zat cair, dan gas?

Kata Kunci: massa jenis, kohesi, adhesi, meniskus, kapilaritas, bejana berhubungan, tegangan permukaan.

Standar Kompetensi	Kompetensi Dasar
3.         Memahami wujud zat dan perubahannya	Menyelidiki sifat-sifat zat berdasarkan wujudnya dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.           Mendeskripsikan konsep massa jenis dalam kehidupan sehari-hari.

Pendahuluan

Semua benda di alam terdiri atas zat atau materi. Manusia, hewan, dan tumbuh-tumbuhan terdiri atas zat atau materi. Setiap zat tersusun atas berjuta-juta partikel. Berdasarkan partikel-partikel penyusunnya, ahli fisika dapat membedakan antara zat padat, zat cair, dan gas.

            Berdasarkan teori partikel, ahli fisika juga dapat menjelaskan peristiwa fisika yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan mempelajari bab ini kalian dapat menjawab beberapa pertanyaan berikut. Mengapa zat dapat berubah wujud? Mengapa air raksa yang tumpah pada permukaan meja tidak membasahi meja? Mengapa nyamuk dapat berjalan pada permukaan air?

            Salah satu sifat penting dari zat atau materi adalah massa jenis. Apakah yang dimaksud dengan massa jenis? Bagaimakah cara menentukan massa jenis zat padat dan zat cair? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyan ini, kalian harus mempelajari bab ini dengan tekun.

Peta Konsep

 

                                                terdiri atas                           sifat pentingnya

                                  

                                                      tersusun atas                            rumusnya

                                                                    

                                                                      ada

                    menyebabkan                                      dibedakan

                                                                                  menyebabkan

                                                                                   

                                                                                                                           terdiri dari

A. Wujud Zat

            Di sekitar tempat tinggal kalian terdapat bermacam-macam benda. Beberapa benda seperti batu, besi, gelas, dan kayu termasuk benda padat atau zat padat. Beberapa benda seperti air, bensin, dan minyak tanah termasuk benda cair atau zat cair. Udara, parfum, dan bahan pengisi balon termasuk gas. Jadi, ada tiga wujud zat, yaitu: zat padat, zat cair, dan gas. Tiga wujud zat ini dapat berada pada satu benda, misalnya sepeda motor. Rangka sepeda motor merupakan zat padat, bensin dan oli merupakan zat cair, dan udara pengisi ban merupakan gas.

            Setiap benda, baik berwujud padat, cair, maupun gas, selalu memiliki massa dan menempati ruang. Dalam fisika, zat didefinisikan sebagai sesuatu yang memiliki massa dan menempati ruang. Dalam Bab 1 kalian telah mempelajari pengertian massa. Seperti telah kalian pelajari, massa adalah ukuran banyaknya zat yang terkandung pada benda.

            Zat padat, misalnya meja belajar, jelas memiliki massa dan di dalam ruang belajar memerlukan ruang atau tempat tertentu. Zat cair, misalnya air, jelas memiliki massa dan memerlukan ruang dalam gelas. Apakah gas juga memiliki massa dan menempati ruang? Gas menempati ruang dapat dilihat pada balon yang ditiup sehingga menggelembung. Bentuk balon yang menggelembung menunjukkan ada udara di dalamnya. Artinya, udara menempati ruang dalam balon. Bagaimanakah membuktikan gas memiliki massa? Untuk membuktikan gas memiliki massa, kalian dapat melakukan Kegiatan 3.1 di bawah ini.

Kegiatan 3.1 Demonstrasi untuk Menunjukkan Gas Memiliki Massa

 

Alat dan Bahan

1.      Sepotong lidi yang panjangnya kira-kira 50 cm.

2.      Dua buah balon sejenis yang berukuran sama.

3.      Benang.

Prosedur Percobaan

1.      Ikatlah lidi dengan benang di tengah-tengahnya dan gantungkan di tempat tertentu. Usahakan lidi dalam keadaan setimbang (lidi berada pada posisi mendatar).

2.      Tiuaplah kedua balon sampai berukuran sama besar. Selanjutnya, kedua balon diletakkan pada kedua ujung lidi.

3.      Tusuklah salah satu balon dengan jarum sehingga kempes. Apa yang terjadi? Apakah kesimpulan kalian?

Sifat-sifat Zat

            Di sekolah dasar kalian telah mempelajari sifat-sifat zat padat, zat cair, dan gas. Sifat-sifat zat yang kalian pelajari dalam hubungannya dengan volume dan bentuknya. Zat padat, misalnya balok, apabila ditempatkan dimana saja bentuk dan volume selalu tetap. Jadi, sifat zat padat adalah bentuk dan volumenya tetap (Gambar 3.1).

Gambar 3.1 Sifat zat padat bentuk dan volumenya tetap.

            Bagaimanakah dengan sifat zat cair? Seperti telah kalian pelajari, volume zat cair selalu tetap. Akan tetapi, bentuk zat cair selalu mengikuti bentuk wadahnya. Jadi, sifat zat cair adalah volumenya tetap tetapi bentuknya selalu berubah bergantung pada bentuk bejana (Gambar 3.2).

Gambar 3.2 Sifat zat cair volumenya selalu tetap, tetapi bentuknya selalu berubah bergantung pada bentuk bejana.

            Bagaimanakah dengan sifat gas? Apabila parfum disemprotkan pada salah satu sudut ruangan, parfum itu akan segera mengisi seluruh ruangan. Hal ini dapat dibuktikan dengan mudah. Kita dapat segera merasakan bau parfum, meskipun tidak berada di dekat parfum yang disemprotkan. Jadi, sifat gas adalah volume berubah dan selalu mengisi seluruh ruangan (Gambar 3.3).

Gambar 3.3 Sifat gas adalah volume berubah dan selalu mengisi seluruh ruangan.

            Kalian telah mempelajari tiga wujud zat. Apakah wujud zat dapat berubah? Untuk menjawab pertanyaan ini, kalian dapat melakukan Kegiatan 3.2 di bawah ini. Perlu diketahui, Kegiatan 3.2 hanya dapat dilakukan pada siang hari saat terik matahari.

Kegiatan 3.2 Perubahan Wujud Zat

 

Alat dan Bahan

1.      Piring atau bejana aluminium.

2.      Beberapa butir pecahan es balok.

Prosedur Percobaan

1.      Masukkan beberapa butir pecahan es balok ke dalam piring atau bejana aluminium.

2.      Letakkan piring atau bejana aluminium di bawah sinar matahari.

3.      Amati perubahan yang terjadi pada butiran-butiran es. Apa yang terjadi?

4.      Setelah beberapa jam berlalu, apa yang terjadi? Apa kesimpulan kalian?

Apabila Kegiatan 3.2 berhasil dengan baik, kalian memperoleh hasil sebagai berikut. Setelah dipanaskan di bawah cahaya matahari, es mencair. Artinya, es (wujud padat) berubah menjadi air (wujud cair). Setelah beberapa jam berlalu, air dalam bejana berkurang atau mungkin telah habis. Artinya, air (wujud cair) telah berubah menjadi gas (uap).

      Peristiwa perubahan wujud dari zat padat menjadi gas dapat dijumpai pada kapur barus. Seperti diketahui, kapur barus yang diletakkan di dalam lemari pakaian semakin lama akan semakin kecil, bahkan habis. Sebagai gantinya, pakaian menjadi wangi. Hal ini menunjukkan bahwa kapur barus (zat padat) berubah menjadi gas (uap). Gambar 3.4 menunjukkan diagram perubahan wujud zat. Perlu diketahui, perubahan wujud yang arahnya ke atas membutuhkan panas. Seperti pada Kegiatan 3.2: untuk meleburkan es dan menguapkan dibutuhkan panas dari cahaya matahari. Sebaliknya, untuk perubahan wujud yang arahnya ke bawah mengeluarkan panas. Berapakah besarnya panas yang diperlukan untuk proses perubahan wujud? Jawaban atas pertanyaan ini dapat diperoleh setelah kalian mempelajari Bab 4.

 

                  

                     Gambar 3.4 Diagram perubahan wujud.

Pertanyaan Diskusi

1. Perhatikan Gambar 3.4. Apakah nama peristiwa perubahan gas menjadi padat?
2. Sebutkan beberapa contoh peristiwa mengembun dalam kehidupan sehari-hari.

Selama ini kita mengenal tiga macam wujud zat, yaitu: padat, cair, dan gas. Akan tetapi, ahli fisika menyatakan bahwa sebenarnya ada empat wujud zat, yaitu: padat, cair, gas, dan plasma. Apakah yang dimaksud dengan plasma? Nah, tugas kalian adalah membuat karya tulis tentang plasma. Kalian dapat mencari informasi tentang plasma di internet.

Teori Partikel Zat

            Apakah partikel itu? Untuk menjawab pertanyaan ini, ambillah sebatang kapur tulis dan potonglah menjadi dua bagian. Selanjutnya, potonglah salah satu potongan kapur tulis itu menjadi dua bagian. Apabila pemotongan kapur tulis itu dilakukan terus-menerus, maka suatu ketika kalian tidak dapat memotongnya lagi. Meskipun kalian sudah tidak dapat memotong kapur tulis lagi, tetapi potongan terakhir ini masih memiliki sifat-sifat kapur. Nah, bagian terakhir yang tidak dapat dipotong lagi dan masih memiliki sifat-sifat kapur dikenal sebagai partikel.

            Ketika kalian membuka botol parfum, parfum menguap. Partikel-partikel parfum bergerak ke segala arah dan memenuhi ruangan, sehingga kalian dapat mencium bau parfum. Berdasarkan teori partikel, jumlah partikel parfum dalam wujud cair sama dengan jumlah partikel parfum dalam wujud gas. Akan tetapi, setetes parfum baunya dapat menyebar ke seluruh ruangan. Artinya, jarak antarpartikel gas lebih jauh daripada jarak antarpartikel zat cair.

            Ketika kalian membuat teh manis, gula pasir berubah dari wujud padat ke wujud cair. Partikel-partikel gula pasir menyebar ke seluruh cairan (air) dalam gelas sehingga air terasa manis. Jumlah partikel gula pasir sebelum dilarutkan (wujud padat) dan setelah dilarutkan sama besar. Artinya, jarak antarpartikel dalam zat cair lebih jauh daripada jarak antara partikel zat padat.

            Ukuran partikel sangat kecil sehingga kalian tidak dapat melihat partikel secara langsung. Kalian dapat melihat partikel-partikel itu apabila menggunakan alat yang dinamakan mikroskop elektron. Bagian terkecil zat yang dinamakan partikel sebagaimana diuraikan di atas sering disebut sebagai molekul. Jadi, partikel atau molekul adalah bagian terkecil dari zat yang masih memiliki sifat-sifat zat yang bersangkutan. Karena parfum baunya wangi, sehingga partikel-partikel parfum juga berbau wangi. Gula rasanya manis, sehingga partikel-partikel juga rasanya manis.

            Bagaimanakah gerak partikel-partikel zat? Robert Brown, seorang ahli botani berkebangsaan Inggris, pada tahun 1827 telah mengamati gerak partikel zat dengan menggunakan mikroskop. Ia menemukan bahwa partikel-partikel tepung sari di dalam air bergerak secara acak (sembarang). Sesuai dengan nama penemunya, gerak partikel-partikel zat dinamakan gerak Brown (Gambar 3.5).

Gambar 3.5 Gerak Brown.

            Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa jarak antarpartikel zat secara berurutan dari dekat ke jauh berturut-turut adalah zat padat, zat cair, dan gas. Seperti diketahui, contoh zat padat adalah pensil, uang logam, dan peniti. Zat padat memiliki ciri penting, yaitu: bentuk dan volumenya tetap. Partikel-partikel zat padat saling berdekatan dalam susunan yang teratur. Partikel-partikel ini diikat oleh gaya tarik-menarik antarpartikel itu sendiri. Partikel-partikel zat padat tidak dapat bergerak bebas ke luar dari kedudukannya. Partikel-partikel zat padat hanya bergetar di sekitar kedudukannya. Itulah sebabnya zat padat memiliki bentuk dan volume tetap. Sifat-sifat zat padat bergantung pada cara penyusunan partikel-partikelnya. Apabila susunan partikel-partikel zat padat memiliki pola teratur dan berulang, maka zat padat itu dinamakan zat padat kristal. Contoh zat padat kristal adalah kuasa (Gambar 3.6). Apabila susunan partikel-partikel zat padat tidak memiliki pola teratur, maka zat padat itu dinamakan zat padat amorf.

                                                              crystal-cure.com

Gambar 3.6 Kuarsa (quartz) adalah salah satu contoh zat padat kristal.

            Jarak antarpartikel zat cair lebih renggang daripada jarak antarpartikel zat padat. Partikel-partikel zat cair mudah berpindah tempat, sehingga zat cair tidak memiliki bentuk yang tetap. Bentuk zat cair bergantung pada wadahnya. Gaya tarik-menarik antarpartikel dalam zat cair lebih kecil daripada gaya tarik-menarik antarpartikel dalam zat padat. Akibatnya, zat cair dapat mengalir. Beberapa zat cair lebih mudah mengalir daripada yang lain. Hal ini bergantung pada kekentalan zat cair yang bersangkutan. Misalnya, sirup lebih kental daripada air.

            Jarak antarpartikel gas sangat renggang, sehingga gaya tarik-menarik antarpartikelnya diabaikan. Gas dapat mengisi seluruh bejana (ruangan), tanpa memperhatikan ukuran dan bentuk bejana.  Oleh karena itu, bentuk dan volume gas tidak tetap. Gambar 3.7 menunjukkan ilustrasi jarak antarpartikel dalam zat padat, zat cair, dan gas.

Gambar 3.7 Ilustrasi jarak antarpartikel dalam zat padat, zat cair, dan gas.

Bagaimanakah Teori Partikel Dapat Menjelaskan Perubahan Wujud Zat?

            Seperti diketahui air dapat berada dalam wujud, yaitu: es (zat padat), air (zat cair), dan uap air (gas). Bagaimanakah teori partikel dapat menjelaskan perubahan wujud zat?

            Ketika es dipanaskan, energi partikel-partikel es bertambah sehingga setiap partikel dapat bergerak lebih cepat sehingga jarak antarpartikel semakin jauh. Pada suhu tertentu, gaya tarik-menarik yang mengikat partikel-partikel es sudah tidak mampu lagi menahan gerak partikel sehingga partikel-partikelnya berpindah tempat. Pada saat itulah es (zat padat) berubah wujud menjadi air (zat cair).

            Hal yang sama terjadi apabila air (zat cair) dipanaskan. Ketika air dipanaskan, energi partikel-partikel air bertambah sehingga setiap partikel dapat bergerak lebih cepat sehingga jarak antarpartikel semakin jauh. Pada suhu tertentu, gaya tarik-menarik yang mengikat partikel-partikel air sudah tidak mampu lagi menahan partikel-partikel air untuk tetap berada di tempatnya. Akibatnya, partikel-partikel air bebas bergerak. Pada saat itulah air (zat cair) berubah wujud menjadi uap air (gas).

            Apa yang terjadi apabila air disimpan di lemari es? Ketika air disimpan di lemari es, suhu air menurun sehingga sehingga partikel-partikelnya bergerak semakin lembat dan jarak antarpartikelnya semakin dekat. Akibatnya, gaya tarik antarpartikel semakin kuat. Pada suhu tertentu, gaya tarik antarpartikel ini sangat kuat sehingga partikel-partikelnya sudah tidak mampu lagi untuk melepaskan diri. Pada saat itulah air (zat cair) berubah wujud menjadi es (zat padat).

            Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa perubahan wujud terjadi apabila ada perubahan gerak partikel-partikel sehingga menyebabkan jarak antarpartikel berubah.

Kohesi dan Adhesi

            Kalian telah mempelajari gaya tarik-menarik antarpartikel zat. Gaya tarik-menarik antarpartikel ini dibedakan menjadi dua, yaitu: kohesi dan adhesi. Kohesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang sejenis. Adhesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang tidak sejenis.

            Dalam kehidupan sehari-hari, peristiwa apa yang dapat dijelaskan dengan kohesi dan adhesi? Masukkan air ke dalam bejana gelas. Amati permukaan air dari samping gelas. Apa yang dapat kalian amati? Tampak bahwa permukaan air tidak datar, tetapi sedikit melengkung ke bawah pada bagian yang bersentuhan dengan dinding gelas (Gambar 3.8a). Kelengkungan permukaan zat cair ini dinamakan meniskus.

                                                     (a)                        (b)

Gambar 3.8 Meniskus pada permukaan zat cair: (a) air membentuk meniskus cekung dan (b) raksa membentuk meniskus cembung.

            Ada dua macam meniskus, yaitu meniskus cekung dan meniskus cembung. Permukaan air dalam bejana gelas membentuk meniskus cekung (Gambar 3.8a). Sebaliknya, permukaan raksa dalam bejana gelas membentuk meniskus cembung. Mengapa permukaan air membentuk meniskus cekung, sedangkan permukaan raksa membentuk meniskus cembung? Hal ini dapat dijelaskan dengan menggunakan gaya tarik-menarik antarpartikel. Untuk air yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel air lebih kecil daripada adhesi antarpartikel air dan kaca. Akibatnya, permukaan air dalam bejana gelas membentuk meniskus cekung. Zat cair yang memiliki meniskus cekung selalu membasahi dinding bejana. Jadi, air selalu membasahi dinding kaca. Untuk raksa yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel raksa lebih besar daripada adhesi antarpartikel raksa dan kaca. Akibatnya, permukaan raksa dalam bejana gelas membentuk meniskus cembung. Zat cair yang memiliki meniskus cembung tidak membasahi dinding bejana. Jadi, raksa tidak membasahi dinding kaca. Sifat raksa yang tidak membasahi dinding kaca merupakan salah satu alasan mengapa raksa digunakan sebagai bahan pengisi termometer. Sifat raksa yang mengkilap serta tidak membasahi dinding kaca menyebabkan skala suhu termometer dapat dibaca dengan mudah.

Kapilaritas

            Di sekolah dasar kalian telah mempelajari azas bejana berhubungan. Azas ini menyatakan, apabila bejana berhubungan diisi dengan zat cair sejenis maka permukaan zat cair dalam bejana selalu memiliki tinggi permukaan yang sama. Gambar 3.9 menunjukkan bejana berhubungan yang diisi dengan air. Perhatikan bahwa permukaan air pada kaki-kaki bejana berhubungan memiliki ketinggian yang sama.

Gambar 3.9 Bejana berhubungan yang diisi dengan zat cair sejenis selalu memiliki tinggi permukaan yang sama.

            Apakah azas bejana berhubungan tetap berlaku apabila kaki-kaki bejana berhubungan diganti dengan pipa kapiler? Pipa kapiler adalah pipa yang garis tengah penampangnya sangat kecil. Untuk menjawab pertanyaan ini kalian dapat melakukan Kegiatan 3.3.

Kegiatan 3.3 Mengamati Gejala Kapilaritas

 

Alat dan Bahan

1. Sebuah bejana untuk wadah zat cair.
2. Pipa kapiler.
3. Air dan raksa secukupnya.

Prosedur Percobaan

1. Isilah bejana dengan air. Masukkan salah satu ujung pip kapiler secara tegak lurus ke dalam air.
2. Amati dengan teliti permukaan air dalam pipa kapiler. Bandingkan dengan permukaan air dalam bejana.
3. Ulangi langkah (1) dan (2) untuk bejana yang berisi raksa.

Kesimpulan

Setelah melakukan pengamatan dengan teliti, apakah kesimpulan kalian?

            Gambar 3.10a menunjukkan permukaan air (meniskus cekung) dalam pipa kapiler lebih tinggi daripada permukaan air dalam bejana. Jadi, permukaan zat cair dengan meniskus cekung naik dalam pipa kapiler. Semakin kecil lubang pipa kapiler, semakin tinggi naiknya permukaan air dalam pipa kapiler.

            Gambar 3.10b menunjukkan permukaan raksa (meniskus cembung) dalam pipa kapiler lebih rendah daripada permukaan raksa dalam bejana. Jadi, permukaan zat cair dengan meniskus cembung turun dalam pipa kapiler. Semakin kecil lubang pipa kapiler, semakin rendah turunnya permukaan raksa dalam pipa kapiler.

                                                            (a)             (b)

Gambar 3.10 (a) Air dan (b) raksa dalam pipa kapiler.

Berdasarkan Gambar 3.10 dapat disimpulkan bahwa azas bejana berhubungan tidak berlaku apabila salah satu kaki bejana berhubungan berupa pipa kapiler. Peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler dinamakan kapilaritas. Apakah penyebab terjadinya kapilaritas? Kapilaritas terjadi karena adanya kohesi dan adhesi. Apabila adhesi lebih besar daripada kohesi, zat cair naik dalam pipa kapiler. Sebaliknya, apabila adhesi lebih kecil daripada kohesi, zat cair turun dalam pipa kapiler.

 

Kapilaritas atau gejala kapiler sangat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari. Peristiwa naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor merupakan salah satu contoh gejala kapilaritas. Seperti diketahui, bagian bawah sumbu kompor tercelup dalam minyak tanah. Dengan adanya kapilaritas minyak dapat meresap pada sumbu kompor sehingga membasahi seluruh sumbu. Akibatnya, apabila dibakar sumbu kompor dapat menyala karena telah mengandung minyak. Jadi, sumbu kompor dapat berfungsi sebagai pipa-pipa kapiler.

            Kapilaritas juga memegang peranan penting bagi tumbuh-tumbuhan untuk mempertahankan kelangsungan hidupnya. Proses pengisapan air dari dalam tanah pada tumbuhan juga dapat dijelaskan berdasarkan konsep kapilaritas. Gejala kapiler menyebabkan air dapat naik dari akar ke daun melalui pembuluh kayu dalam batang. Oleh karena itu, pembuluh kayu berfungsi sebagai pipa kapiler.

Pertanyaan Diskusi

1. Sebutkan beberapa contoh gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari.
2. Pada waktu musim hujan tembok rumah bagian bawah menjadi lembab sehingga menimbulkan kerusakan cat tembok, sebab cat tembok menjadi mudah terkelupas. Bagaimanakah peristiwa ini dapat dijelaskan berdasarkan konsep kapilaritas?

Tegangan Permukaan

            Gambar 3.11 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. 

 

www.edupic.net   

            (a)

                                            

       www.nsf.gov                                                  webelements.com

                (b)                                                                           (c)

Gambar 3.11 (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 3.12 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.

 

                         B

                                                                                    chem1.com

Gambar 3.12 Konsep kohesi untuk menjelaskan tegangan permukaan.

            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.

TUGAS PROYEK

 

Alat dan Bahan

1. Kertas karton secukupnya.
2. Gunting
3. Mistar
4. Lem

Pekerjaan

Buatlah tiga bangun yang berbentuk balok, kubus, dan bola masing-masing volumneya 1.000 cm³. Bagun manakah yang membutuhkan bahan paling sedikit?

 

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. 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.

Pertanyaan Diskusi

Seekor bebek dapat terapung pada permukan air karena bulunya mengandung lapisan lemak. Bagaimanakah tegangan permukaan dapat naik sehingga memungkinkan bebek dapat terapung?

B. Massa Jenis

            Dalam kehidupan sehari-hari kalian sering mendengar ungkapan bahwa besi “lebih berat” daripada kayu. Ungkapan ini tidak benar, karena sepotong kayu yang besar memiliki berat yang lebih besar daripada paku besi. Ungkapan yang benar adalah massa jenis besi lebih besar daripada massa jenis kayu. Apakah yang dimaksud dengan massa jenis? Untuk mengetahui pengertian massa jenis, kalian dapat melakukan Kegiatan 3.4 di bawah ini.

Kegiatan 3.4 Menyelidiki Massa Jenis

 

Alat dan Bahan

1. Timbangan
2. Penggaris
3. Empat buah balok kayu sejenis dengan ukuran yang berbeda (Gambar 3.13).

Gambar 3.13 Balok-balok kayu sejenis dengan ukuran yang berbeda-beda.

Prosedur Percobaan

1. Ukurlah panjang, lebar, dan tinggi setiap balok, kemudian hitunglah volumenya dengan menggunakan rumus Catatlah hasilnya dalam tabel pengamatan.
2. Ukurlah massa setiap balok dengan timbangan. Catatlah hasilnya dalam tabel pengamatan.
3. Untuk masing-masing balok, hitunglah massa dibagi volumenya. Catatlah hasilnya dalam tabel pengamatan.
4. Perhatikan hasil perhitungan pada langkah (3) untuk setiap balok. Apakah kesimpulan kalian?

Tabel Pengamatan

Balok	Panjang (cm)	Lebar (cm)	Tinggi (cm)	Volume (cm3)	Massa (g)
1
2
3
4

Tampak bahwa meskipun massa dan volumenya berbeda, tetapi hasil dari massa dibagi volume selalu tetap. Hasil bagi antara massa dan volume suatu benda dinamakan massa jenis. Massa jenis merupakan salah satu ciri khas suatu zat. Artinya, zat yang massa jenisnya berbeda pasti berasal dari jenis zat yang berbeda. Untuk menunjukkan bahwa zat yang berbeda pasti memiliki massa jenis yang berbeda, kalian dapat melakukan Kegiatan 3.5 di bawah ini.

Kegiatan 3.5 Menentukan Massa Jenis Zat yang Berbeda-beda

 

Alat dan Bahan

1.      Timbangan

2.      Empat balok yang terbuat dari bahan yang berbeda: aluminium, besi, kuningan, dan kayu.

Prosedur Percobaan

1.      Ukurlah massa setiap balok dengan timbangan. Catatlah hasilnya dalam tabel pengamatan.

2. urlah panjang, lebar, dan tinggi setiap balok, kemudian hitunglah volumenya dengan menggunakan rumus Catatlah hasilnya dalam tabel pengamatan.
3. Untuk masing-masing balok, hitunglah massa jenisnya yaitu massa dibagi volume.  Catatlah hasilnya dalam tabel pengamatan.

Tabel Pengamatan

Balok	Panjang (cm)	Lebar (cm)	Tinggi (cm)	Volume (cm3)	Massa (g)
aluminium
besi
kuningan
kayu

Kesimpulan

Tentukan bahan yang memiliki massa jenis paling kecil dan paling besar.

            Untuk menyatakan massa jenis biasanya digunakan simbol huruf Yunani r (dibaca: “rho”). Jika benda massanya m dan volumenya V, maka massa jenis benda itu dapat dihitung dengan rumus:

                                                                                                           (3-1)

            Dalam satuan SI massa diukur dengan satuan kilogram (kg), sedangkan volume diukur dengan satuan meter kubik (m³). Dengan demikian,

                       

Jadi, satuan massa jenis dalam satuan SI adalah kg/m³. Massa jenis juga dapat dinyatakan dengan satuan g/cm³ atau g/mL. Ingat, 1 cm³ = 1 mL sehingga    1 g/cm³ = 1 g/mL.

            Dalam perhitungan kita sering perlu mengubah satuan g/cm³ atau g/mL menjadi satuan kg/m³ atau sebaliknya. Bagaimanakah caranya? Pehatikan langkah-langkah di bawah ini.

Jadi,

            1 g/cm³ = 1.000 kg/m³.

Sebaliknya,

           

Tabel 3.1 menunjukkan massa jenis beberapa zat. Benda-benda yang memiliki massa jenis lebih kecil daripada massa jenis air akan terapung pada permukaan air. Jadi, es dan kayu terapung pada permukaan air.

Tabel 3.1 Massa Jenis Beberapa Zat

Bahan	Massa Jenis (kg/m3)
Padat
Aluminium	2.700
Besi dan Baja	7.800
Tembaga	8.900
Timbal	11.300
Emas	19.300
Beton	2.300
Granit	2.700
Kayu	300-900
Kaca	2.400-2.800
Es	920
Cair
Air (4oC)	1.000
Darah, plasma	1.030
Darah, seluruhnya	1.050
Air laut	1.025
Raksa	13.600
Alkohol, Alkil	790
Bensin	680
Gas
Udara	1,29
Helium	0,179
Karbondioksida	1,98
Uap air (100oC)	0,598

Contoh Soal

(a)          Massa jenis suatu zat adalah 6,5 g/cm³. Berapakah massa jenis zat tersebut dalam satuan kg/m³?

(b)         Massa jenis aluminium adalah 2.700 kg/m³. Berapakah massa jenis aluminium dalam satuan g/cm³?

Penyelesaian

(a)          Massa jenis

(b)         Massa jenis

Contoh Soal

Massa sebuah balok tembaga adalah 890 g. Apabila massa jenis tembaga 8,9 g/cm³, berapakah volume tembaga?

Penyelesaian

Massa tembaga            : m = 890 g

Massa jenis tembaga   :

Dengan menggunakan Persamaan (3-1), diperoleh

                       

atau

                       

Contoh Soal

Hitunglah massa udara dalam ruang tamu yang berukuran 5 m ´ 4 m, jika tinggi langit-langit 3 m. Massa jenis udara r = 1,29 kg/m³.

Penyelesaian

Volume ruang tamu    : V = p ´ l ´ t = (5 m) ´ (4 m) ´ (3 m) = 60 m³.

Massa jenis udara        : r = 1,29 kg/m³

Dengan menggunakan Persamaan (3-1), diperoleh

                       

atau

                       

                       

 

Latihan

1.      Sebuah emas batangan berukuran 70 cm ´ 30 cm ´ 20 cm. Berapakah massa emas tersebut? Massa jenis emas 19.300 kg/m³.

2.      Sebuah akuarium alasnya berbentuk persegi dengan ukuran 0,40 m ´ 0,20 m dan tinggi 0,20 m. Apabila akuarium itu diisi air sampai kedalaman 0,15 m, (a) berapakah volume air dalam akuarium? (b) Berapakah massa air dalam akuarium? (massa jenis air 1 g/cm³)

3.      Hitunglah massa sebatang baja yang volumenya 150 cm³ (massa jenis baja 7.800 kg/m³)

 

Bagaimanakah Cara Menentukan Massa Jenis Zat?

Massa jenis suatu zat dirumuskan sebagai massa dibagi volumenya. Jadi, untuk menentukan massa jenis suatu zat cukup mengukur massa dan volumenya. Untuk benda padat yang bentuknya teratur volumenya dapat dihitung dengan menggunakan rumus, sedangkan massanya dapat diukur dengan neraca atau timbangan. Untuk benda padat yang bentuknya tidak teratur volumenya dapat diukur dengan menggunakan gelas ukur, sedangkan massanya dapat diukur dengan neraca atau timbangan. Untuk menentukan massa jenis zat cair, volumenya dapat diukur dengan menggunakan gelas ukur, sedangkan massanya dapat diukur dengan neraca atau timbangan.

Kegiatan 3.6 Menentukan Massa Jenis Zat Padat

 

Alat dan Bahan

1.      Neraca atau timbangan

2.      Gelas ukur

3.      Batu

Prosedur Percobaan

1.      Ukurlah massa batu dengan menggunakan neraca atau timbangan. Catatlah hasil pengukuran massa batu.

2.      Ukurlah volume batu dengan menggunakan gelas ukur. Catatlah hasil pengukuran volume batu.

3.      Hitunglah massa jenis batu dengan menggunakan rumus

      dengan r massa jenis batu, m massa batu, dan V volume batu.

4.      Berapakah massa jenis batu yang kalian peroleh?

Kegiatan 3.7 Menentukan Massa Jenis Zat Cair

 

Alat dan Bahan

1.      Neraca atau timbangan

2.      Gelas ukur

3.      Tabung gelas

4.      Zat cair, misalnya minyak tanah

Prosedur Percobaan

1.      Ukurlah massa gelas ukur dengan menggunakan neraca atau timbangan. Catatlah hasil pengukuran gelas ukur, misalnya m₁.

2.      Masukkan minyak tanah ke dalam gelas ukur dan catatlah volumenya, misalnya V. Selanjutnya, ukurlah massa gelas ukur yang telah diisi minyak tanah dengan menggunakan neraca. Catatlah hasil pengukuran massa gelas ukur beserta minyak tanah, misalnya m₂.

3.      Hitunglah massa minyak tanah, yaitu m = m₂ – m₁.

4.      Hitunglah massa jenis minyak tanah dengan menggunakan rumus

dengan r massa jenis minyak tanah, m massa minyak tanah, dan V volume minyak tanah.

5.      Berapakah massa jenis minyak tanah yang kalian peroleh?

SALINGTEMAS

 

Pengetahuan tentang massa jenis sangat berguna untuk memilih bahan yang dibutuhkan untuk berbagai kepentingan. Aluminium dipilih sebagai bahan logam pembuat pesawat terbang karena aluminium merupakan salah satu logam yang sangat kuat dan massanya ringan. Gas helium memiliki massa jenis kecil, lebih kecil daripada massa jenis udara, sehingga gas helium dipilih untuk mengisi balon udara.

RANGKUMAN

Ø  Ada tiga wujud zat: padat, cair, dan gas. Sifat zat padat: bentuk dan volumenya tetap. Sifat zat cair: volumenya tetap, bentuknya mengikuti wadahnya. Sifat gas: volumenya berubah dan selalu mengisi seluruh ruangan.

Ø  Partikel atau molekul adalah bagian terkecil dari zat yang masih memiliki sifat-sifat zat yang bersangkutan.

Ø  Perubahan wujud terjadi apabila ada perubahan gerak partikel-partikel sehingga menyebabkan jarak antarpartikel berubah.

Ø  Kohesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang sejenis. Adhesi adalah gaya tarik-menarik antarpartikel zat yang tidak sejenis.

Ø  Kelengkungan permukaan zat cair dinamakan meniskus.

Ø  Untuk air yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel air lebih kecil daripada adhesi antarpartikel air dan kaca. Akibatnya, permukaan air dalam bejana gelas membentuk meniskus cekung. Zat cair yang memiliki meniskus cekung selalu membasahi dinding bejana.

Ø   Untuk raksa yang berada dalam bejana gelas, kohesi antarpartikel raksa lebih besar daripada adhesi antarpartikel raksa dan kaca. Akibatnya, permukaan raksa dalam bejana gelas membentuk meniskus cembung. Zat cair yang memiliki meniskus cembung tidak membasahi dinding bejana.

Ø  Peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler dinamakan kapilaritas.

Ø  Tegangan permukaan disebabkan oleh gaya kohesi antarpartikel zat cair.

Ø  Salah satu sifat penting zat adalah massa jenis yang didefinisikan sebagai hasil bagi antara massa dan volume. Rumus massa jenis adalah

            dengan  adalah massa jenis (g/cm³), m adalah massa (g), dan V adalah volume (cm³). Dalam SI satuan massa jenis adalah kg/m³.

SOAL-SOAL

A.    Pilihan Ganda

Petunjuk: Pilihlah satu jawaban yang tepat!

1. Pernyataan berikut menunjukkan sifat-sifat umum zat, kecuali:

A. massa                      C. massa jenis

B. volume                    D. mudah terbakar

2. Zat yang memiliki bentuk dan volume tetap adalah ….

A.    zat padat               C. plasma

B.     zat cair                   D. gas

3. Sebuah ruangan berukuran panjang 4 m, lebar 2,5 m, dan tinggi 2 m. Jika massa jenis udara 1,3 kg/m³, maka massa udara dalam ruangan tersebut adalah ….

A.    3,8 kg                    C. 15 kg

B.     6,5 kg                    D. 26 kg

4. Gambar 3.?? menunjukkan tiga balok dengan massa dan ukuran yang berbeda. Dari pernyataan berikut, manakah yang benar?

                                                                                    16000 kg

                                                                                                            

                                          4000 kg      

                         1000 kg                                                                                     2 m

                                     1 m                           2 m                                       

                                                                                               

                                    1 m                       1 m                                               2 m

                                   1 m                        2 m                                 2 m

                                (a)                         (b)                              (c)

A.    Massa jenis balok (a) dan (b) sama besar.

B.     Ketiga balok memiliki massa jenis yang sama.

C.     Ketiga balok memiliki massa jenis yang berbeda.

D.    Massa jenis balok (c) dua kali massa jenis balok (a) dan (b).

5. Sebuah gelas ukur diisi air sampai 8 cm³. Sebuah benda dengan massa 24 g dimasukkan ke dalam gelas ukur tersebut. Apabila massa jenis benda 8 g/cm³, angka yang ditunjukkan oleh gelas ukur sekarang adalah ….

A.    8,3 cm³                              C. 32 cm³

B.     11 cm³                               D. 40 cm³

6. Massa jenis besi adalah 7,9 g/cm³. Dalam satuan SI, massa jenis besi adalah … kg/m³.       

A.    0,79                                   C. 790

B.     79                          D. 7.900

7. Alkohol termasuk zat cair, sebab ….

A.    bentuk dan volumenya tetap

B.     bentuk dan volumenya tidak tetap

C.     bentuknya tetap, tetapi volumenya tidak tetap

D.    bentuknya tidak tetap, tetapi volumenya tetap

8. Salah satu sifat zat padat adalah ….

A.    gaya adhesi antarpartikel sangat kuat

B.     partikel-partikelnya dapat bergerak bebas

C.     gaya tarik-menarik antarpartikel sangat lemah

D.    partikel-partikelnya berdekatan dan tersusun secara teratur

9. Proses perubahan zat padat menjadi zat cair dinamakan ….

A.    mengembun                                   C. melebur

B.     menyublim                                    D. menguap

10. Nyamuk dapat berjalan pada permukaan air karena ….

A.    kohesi partikel-partikel air lebih besar daripada adhesi antara partikel air dan nyamuk

B.     massa jenis nyamuk lebih kecil daripada massa jenis air

C.     berat jenis nyamuk lebih kecil daripada berat jenis air

D.    tegangan permukaan air

11. Pernyataan di bawah ini adalah beberapa peristiwa yang terjadi akibat tegangan permukaan, kecuali:

A.    tetesan air yang keluar dari pipet selalu berbentuk bola

B.     jarum dapat mengapung pada permukaan air

C.     kapal dapat mengapung pada permukaan laut

D.    silet dapat mengapung pada permukaan air

12. Sebuah gelas ukur diisi air hingga volumenya 5 mL. Apa yang terjadi apabila ke dalam gelas ukur itu ditambahkan air sehingga volumenya menjadi 10 mL?

A.    Massa air bertambah, massa jenis air tetap.

B.     Massa air tetap, massa jenis air bertambah.

C.     Massa air bertambah, massa jenis air bertambah.

D.    Massa air bertambah, massa jenis air berkurang.

13. Zat cair bahan pengisi termometer tidak membasahi dinding karena ….

A.    meniskusnya cembung                  C. massa jenisnya kecil

B.     bahannya mengkilap                     D. volumenya tetap

14. Keadaan zat di alam semesta kebanyakan berbentuk ….

A.    plasma                                           C. cair

B.     padat                                             D. gas

15. Empat zat cair A, B, C, dan D memiliki massa jenis berturut-turut 1 g/cm³, 0,8 g/cm³, 0,6 g/cm³, dan 1,2 g/cm³. Apabila keempat zat cair itu ditempatkan di dalam bejana yang sama, urutan lapisan zat cair dari atas ke bawah berturut-turut adalah ….

A.    D, A, B, C                         C. C, B, A, D

B.     B, C, A, D                         D. D, C, B, A

B. Uraian

Petunjuk: Kerjakan soal-soal di bawah ini!

Tingkat I

Wujud Zat

1. Jelaskan sifat-sifat zat padat, zat cair, dan gas.
2. Jelaskan istilah-istilah berikut ini: (a) meniskus, (b) kohesi, dan (c) kapilaritas.
3. Apakah yang dimaksud dengan kapilaritas? Jelaskan.
4. Jelaskan perbedaan antara meniskus cekung dan meniskus cembung.
5. Sebutkan beberapa peristiwa yang disebabkan karena tegangan permukaan zat cair.

Massa Jenis

6. Raksa memiliki massa jenis 13,6 g/cm³. Jelaskan pengertian atas pernyataan tersebut.
7. Sebuah balok kayu dengan massa 120 g berukuran 6 cm × 4 cm × 2 cm. Berapakah massa jenis balok kayu tersebut? Nyatakan jawaban kalian dalam satuan (a) g/cm³ dan (b) kg/m³.

8. Isilah titik-titik pada tabel di bawah ini.

No.	Nama Bahan	Massa (g)	Volume (cm3)	Massa Jenis (g/cm3)
1	Alkohol	16	20	…
2	Raksa	…	12	13,6
3	Besi	250	…	7,9
4	Kuningan	…	200	8,4

9. Sebuah balon udara dengan volume 150 m³ berisi gas helium yang memiliki massa jenis 0,09 kg/m³. Berapakah massa udara dalam balon?
10. Seorang siswa peserta olimpiade sains diminta menganalisis berbagai bahan yang massa jenisnya berbeda-beda, sebagaimana ditunjukkan pada tabel di bawah ini.

No.	Nama Bahan	Massa Jenis (g/cm3)	Massa (g)
1	P	8	60
2	Q	6	160
3	R	5	140
4	S	9	180

      Bahan manakah yang memiliki volume paling kecil?

Tingkat II

11.  Seorang pedagang emas membeli sepotong logam kuningan mirip emas berbentuk segi empat dengan ukuran 30 mm × 15 mm × 5 mm serta memiliki massa 0,016 kg. Massa jenis emas 19,3 g/cm³. Berapakah massa jenis logam tersebut? Apakah pedagang emas itu tertipu?

12.  Seorang penculik meminta logam platina (massa jenis 21.400 kg/m³) berbentuk kubus dengan massa 40 kg sebagai tebusan. Berapakah panjang sisi platina itu?

13.  Hitunglah massa jenis dari tiga bahan berikut: Bahan A (massa 15 g, volume 2 cm³), Bahan B (massa 200 g, volume 80 mL), dan Bahan C (massa 1,8 kg, volume 0,2 L). Bahan manakah yang memiliki massa jenis (a) paling besar dan (b) paling kecil?

14.  Sebuah botol 200 mL diisi air sampai penuh pada suhu 4^oC. Massa jenis air pada suhu 4^oC adalah 1 g/cm³. Apabila air dipanaskan sampai 80^oC, air sebanyak 6 g tumpah. Berapakah massa jenis air pada suhu 80^oC?

15.  Sebuah botol kecil yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair, namanya pyconmeter, mempunyai massa 22,7 g. Apabila botol ini diisi air, massanya totalnya menjadi 153,4 g. Apabila botol ini diisi suhu, massa totalnya menjadi 157,7 g. Berapakah massa jenis susu?