AhmadDahlan.Ner – Cobalah menekan ujung pulpen yang tajam dan yang tumpul menggunakan telapak tangan kalian. Yang manakah yang lebih terasa sakit di telapak tangan? Tentu saja ujung pulpen yang tajam lebih terasa sakit = daripada ujung pulpen yang tumpul.
Hal ini karena ujung pulpen yang tajam memiliki tekanan yang lebih besar daripada ujung pulpen yang tumpul. Apakah yang dimaksud dengan tekanan tersebut? Untuk menjawab hal itu, perhatikan penjelasan berikut.
A. Pengertian Tekanan
Tekanan secara umum diartikan sebagai besarnya gaya yang bekerja per satuan luas bidang yang dikenakan gaya. Gaya yang dimaksud disini adalah gaya tekan yang arahnya tegak lurus dengan permukaan bidang. Untuk lebih memahami penjelasan di atas, perhatikan ilustrasi berikut.
Ilustrasi di atas menggambarkan ujung pensil yang memberikan gaya tekan (F) yang arahnya tegak lurus dengan permukaan buku. Pensil tersebut memiliki luas penampang yang di tunjukkan oleh tanda lingkaran di buku. Sehingga luas bidang yang dikenakan gaya (A) sama dengan luas penampang dari pensil yang memberikan gaya terhadap buku.
Tekanan memiliki simbol P yang merupakan kata “Pressure” yang berarti tekanan. Satuan tekanan dalam SI adalah Pa (pascal) atau Newton per meter kuadrat (N/m2) dengan,
\ 1\ Pa\ =\ 1\ N/m^2
B. Persamaan Tekanan
Tekanan secara umum dapat dihitung menggunakan persamaan :
P=\frac{F}{A}
ketetangan, P : tekanan (N/m2) F : gaya yang bekerja (N) A : luas bidang (m2)
C. Contoh Soal
Sebuah benda memiliki massa sebesar 20 kg, memberikan tekanan kepada sebidang meja yang memiliki luas 100 m2. Hitunglah besar tekanan yang dihasilkan benda tersebut?
Pembahasan
Dik : m = 20 kg A = 100 m2
Dit : P = ?
Pembahasan :
P=\frac{m.g}{A}
P=\frac{20\ kg.10\ m/s^2}{100\ m^2}
P=\frac{200\ kg.m/s^2}{100\ m^2}
P=2\ Pa
Jadi, besar tekanan yang dihasilkan oleh benda tersebut adalah 2 Pa
AhmadDahlan.NET – Tiga hukum dasar tentang gas (Byole, Charless, Gay Lussac) telah menjelaskan hubungan antara variabel T, V dan P pada gas-gas dengan suhu rendah. Ketiga hukum
V ∝ 1/P
V ∝ T
P ∝ T
Tiga hukum ini bisa digabungkan menggunakan metode subtitusi matematikan sederhana dalam bentuk :
PV ∝ T
Hubungan natara P, V dan T akan memiliki variasi dengan dua buah varibale berubah dan satu variable konstan, misalnya ketika V Konstans maka P akan berbanding lurus secara langsung dengan T.
Variable yang mungkin berpenaruh langsung terhadap besaran fisis dari gas adalah jumlah gas. Misalkan saja sebuah balon akan memiliki volume lebih besar ketika ditiupkan banyak udara didalamnya. Sederhananya, m∝V, dengan demikian persamaan PV ∝ T dapat ditulisa
PV ∝ mT
Persamaan ini selanjutnya bisa disejajarkan dengan memasukkan sebuah konstanta yang mengatur hubungan antara variable V,P dan T pada gas. Pengukuran massa dari suatu gas dilakukan lebih sulit, oleh karena besaran massa ini diwakilkan olhe besaran lain yang mewakiliki jumlah gas yang ada dalam sistem yang diamati.
Pengganti dari Massa ini adalah mole. Mole merupakan jumlah zat secara eksplisit sedangkan massa adalah jumlah massa yang lebih erat hubungannya dengan gravitasi dan sifat-sifat fisis dalam hukum-hukum Newton tentang gerak.
1 Mole mengandung dari 6,02 x 1023 partikel dari suatu unsur, senyawa, atau atom. Bilangan ini disebut bilangan Avogadro. Nilai standar dari bilangan Avogadro didapat dari jumlah atom yang terdapat pada 12 gram atom Carbon-12. Alasannya tentu saja karena Carbon-12 adalah unsur yang paling stabil yang ada di alam.
1 mol setara dengan total massa atom relative yang menyusun senyawa atau insur tersebut. Misalnya 1 mol H20 memiliki massa [2(1) + 16] = 18 gr karena 1 atom air mengandung dua atom Hidrogen dengan mr = 1 dan oksigen dengan mr = 16 jadi totalnya sama dengan 18 gr.
Secara umum, Jumlah mol suatu unsur atai zat dapat dihitung dengan perbanidngan antara massa dalam gram terhadap total amassar atom realtif (g/mol)
dimana
n : Jumlah mol (mol)
m : Massa
Total massatom realtof (g/mol)
Dari persamaan ini massa pada dapat dihubungan dengan jumlah mol, sehingga persamaan pad agas ideal ditulis
PV = nRT
dimana n adalah jumlah mol dan R adalah konstanta Proporsionalitas atau konstanta gas Universal. Nilai R = 8,314 J/(mol.K) = 0,0821 (L.atm)/(mol.K) = 1,99 kal. T dinyatakan dalam satuan Mutlak.
Gas Ideal dalam Bilangan Avogadro
Avogadro berpendapat bahwa gas pada Volume, tekanan dan temperatire yang sama akan memiliki jumlah mol yang sama. Pendapat ini juga biasa dengan dikenal sebagai hipotesis Avogadro. Pada atom-atom murni, Jumlah satu molnya setara dengan bilangan Avogadro NA, meskipun bukan Avogadro yang menemukan jumlahnya karena nilainya baru ditemukan pada abda ke 20.
Misalkan jumlah suatu unsur sejumlah n mol akan mengandung N =nNA. dengan demikan
PV = nRT = (N/NA) RT
persamaan dihubungan dengan konstanta Setvanus Boltzman dimana k = R/NA dengan demikian
AhmadDahlan.NET – Pemuaian akan terjadi pada materi yang dipanaskan tidak peduli pada wujudnya yakni padat, cair maupun gas. Hanya saja pada gas, persamaan pemuaian volume gas menjadi tidak begitu bermanfaat karena pemuaian yang begitu besar sehingga sulit diamati. Jika gas yang dipanaskan berada dalam sebuah wadah kaku, maka pemanasan gas akan berdampakn pada dua hal yakni ekspansi volume (pemuaian) dan atau peningkatan tekanan.
Hukum dan Persamaan Keadaan Gas
Besar volume dari sebuah gas sangat bergantung dengan tekanan dan suhu dari gas tersebut. Hal ini secera ringkas dapat dilihat pada percobaan sederhana yang banyak dilakukan di tingkat sekolah menengah yakni ketika sebuah balon yang menutup tutup botol akan mengembang ketika bagian bawah botol dipanaskan akan membuat balon mengembang seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi di bawah ini!
Pada saat udara di dalam botol dan balon dipanaskan, energi kinetik dari partikel-partikel gas akan meningkat membuat gerakannya semakin cepat. Gerakan ini akan merubah variable yakni tekanannya naik shingga bisa mendorong dingding balon menjadi lebih besar dan secera otomatis volume dari balon juga meningkat.
Hukum Boyle, Charless, Gay Lussac.
Hubungan antara Volume, Suhu dan Temperature ini disebut sebagai persamaan keadaan gas dalam hal ini keadaan merujuk pada sistem yang sedang ditinjau. Ketika sebuah gas dalam wadah dipanaskan sehingga suhu naiknya, nilai antara Volume dan Tekanan akan berubah secara perlahan sampai ketiganya mencapai kesetimbangan.
Robert Boyle (1627-1691) membuat percobaan untuk mengetahui hubungan antara variable ini melalui sebuah tabung berbentuk J. Tabung ini diisi dengan raksa sampai pada bagian ujung tabung tertekan. Ketinggian di awal ini kemudian dicatat oleh boleh sebagai wakil dari Volume udara di dalam tabung.
Setelah itu Boyle kemudian menambahkan tekanan pada gas yang ada di sisi tabung tertutup dengan menambahkan jumlah raksa pada tabung dan hasilnya Volume udara disisi tabung tertutup semakin berkurang seiring dengan peningkatan jumlah raksa yang dimasukkan. Hasilnya Boyle berkesimpulan jika
V ∝ 1/P
pada suhu konstan. Hukum kemudian dikenal dengan nama hukum Boyle dimana :
PV = Konstan
Dimana
P : Tekanan (Pa)
V : Volume (m3)
Pada gas-gas dengan tekanan yang tidak terlalu besar, terdapat hubungan liner antara perubahan temperature dan volume gas. Hubungan ini dapat ditulis
V ∝ T
Persamaan ini disebut sebagau Hukum Charles. Hukum ke Tiga dari gas ideal adalah hukum Gay Lussac. Gay Lussac menyatakan bahwa pada Volume yang konstan tekanan gas berbanding lurus dengan temperature mutlak dari sebuah gas.
P ∝ T
Ketiga hukum gas ini yakni Byle, Charels dan Gay Lussac, bukanlah hukum-hukum riil karena hanya digunakan untuk mendeskripsikan karakteritik gas pada suhu dan tekanan yang tidak terlalu tinggi dan juga terlalu rendah. Rentang nilai tinggi dan rendahnya besaran tersebut bergantung dari banyak aspek sehingga sulit untuk membuat suatu acuan yang dapat mewakili seluruh variabel dari kondisi-kondisi gas.
AhmadDahlan.NET – Meskipun tidak begitu dirasakan, namun udara di sekitar kita memiliki tekanan yang cukup besar ke semua benda yang di dalamnya termasuk tubuh manusia. Tekanan udara ini besarnya sebesar 1 atmosfer atau sekitar 760 mmHG.
A. Tekanan pada Fluida
Tekanan dapat didefenisikan sebagai besarnya gaya tegak lurus yang bekerja terhadap luas bidang sentuh dari gaya. Secara matematis dapat dituliskan :
P = \frac{F}{A}
dimana
P : Tekanan (N/m2)
F : Gaya (N)
A : Luas Permukaan (m2)
Tekanan adalah gaya non-Vektor atau hanya memiliki besar tanpa ada arahnya. Dalam sistem internasional, tekanan diberi satuan Pa singkatan dari Pascal yang diambil dari nama Blaise Pascal. 1 Pa didefenisikan sebagai 1 N/m2. Namun satuan tekanan sangatlah banyak, terkadang tekanan akan dinyatakan dalam Torr, Bar, lb/in2, mmHG dan sejenisnya. Hubungan antara satuan tekanan ini ditunjukkan pad atabel berikut :
N/m2
Bar
Torr
Atm
psi
1
1 x 10-5
7,50×10−3
9.87×10−6
1,45 x 10−8
Misalkan tekanan didefenisikan
P = \frac{F}{A}
Asumsikan gaya yang bekerja pada fluida adalah berat fluida itu sendiri maka maka F = w = m.g
P = \frac{mg}{A}
massa dimaksud adalah massa dari fluida yang menekan sehingga m = ρV = ρAh , maka persamaan ini bisa ditulis
P = \frac{\rho A hg}{A}
Dengan demikian tekanan hidrostatik dapat dinyatakan dalam bentuk :
P =\rho gh
dimana
P = Tekanan(Pa)
g = grafitasi (m/s2)
ρ = massa jenis (kg/m3)
h = kedalam (m)
Persamaan ini berlaku untuk fluida statis dimana besar tekanan adalah fungsi dari kedalaman, semakin dalam benda di dalam air maka semakin besar tekanan hidrostatik yang diterima.
Hal ini bisa dirasakan padasaat kita menyelam, dimana tekanan yang dialami telinga kita akan semakin besar seiring dengan semakin dalamnya kita menyelam.
Tekanan Pada Pipa U
Persamaan ini bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah tekanan pada fluida yang saling berhubungan, dimana tekanan yang dialami di dalam fluida dengan ketinggian akan selalu sama.
Misalkan ada sebuah pipa U yang diisi dengan dua cairan yang berbeda dna memiliki massa jenis berbeda.Dua carian tersebut tidak membentuk ikatan polar sehingga keduanya terpisah dengan batas yang jelas seperti yang ada pada gambar di bawah ini !
Perhatikan gara datar yang menjadi batas antara zat cair 1 dan zat cair 2. Pada posisi tersebut tekanan akan bernilai sama sehinga
P0 + P1 = P0 + P2
ρ1 g h1 = ρ2 g h2
ρ1 h1 = ρ2 h2
B. Tekanan Atmosfer
Udara yang ada di seluruh permukaan bumi atau di sebut atsmofer merupakan fluida. Fluida terdiri dari banyak jenis gas namun mayoritas berisi banyak NItrogen, sedikit oksigen dan gas-gas lain sekitar 1 %. Karena Udara Fluida yang sama dengan air, maka berada dalam udara juga akan mengalami gaya hidrostatis. Hanya saja gaya yang ada pada udara di sekitar sangatlah lemah sheingga tekanan yang dihasilkan tidak begitu terasa oleh tubuh kita, disamping tubuh manusia yang sudah beradaptasi dengan tekanan udara di tempat mereka beraktifitas.
Toricelli kemudian mengamati fenomena tersebut dan mencoba membuat standar pengukuran untuk nenetukan besar tekanan dari udara di atmosfer. Sebatang pipa kaca sepanjang satu meter kemudian di isi penuh raksa oleh Toricelli. Pipa ini kemudian ditutup dengan kaca dan dibalikkan secara cepat. Air raksa dalam tabung terus turun sampai akhirnya berhenti setelah mencapai 760 mm, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini !
Tekanan udara yang pada bagian atas di dalam tabung membuat air raksa turun yang semula 1 meter. Pada saat tekanan udara di dalam dan di luar tabung sama maka air raksa akan berhenti mengalir. Hasilnya ketinggian yang ditemukan Toricelli adalah 760 mm. Tekanan ini kemudian dijadikan standar untuk nilai dari 1 atm dan karena menggunakan air raksa maka tekanan ini dikenal dengan sebutan 760 mmHg, dimana Hg adalah Hydragyrum atau nama latin dari raksa.
Besar tekanan udara 1 atm ini kemudian dikonversi ke dalam sistem metrik
P = ρ g h
P = (13 600 kg/m3) (9,80 m/s2) (0,76 m) = 1,013 x 105 N/m2
Nilai tekanan ini, 1,013 x 105 N/m2 di setarakan dengan 1 atm.
Ketinggian dan tekanan Atmosfer
Sebagai mana yang kita ketahui bahwa medan gravitasi bumi berbanding terbalik dengan kudrat jari-jari bumi. Partikel-partikel udara yang ada di muka bumi akan menumpuk di bagian bawah samapi mencapai kepadatan jenuh. Kepadatan ini terus berkurang sebanding dengan naiknya ketinggian dari permukaan bumi, hasilnya tekanan udara pada daerah kurang pada akan semakin rendah. Dengan demikian tekanan udara di permukaan di atas gunung akan lebih rendah dari permukaan laut.
Tentu saja parameter gravitasi yang bekerja pada tekanan udara dipermukaan bumi bukanlah satu-satunya besaran fisika yang berpengaruh ke tekanan udara. Terdapat banyak faktor yang akan berpengaruh terhadap tekanan atmosfer suatu tempat sepeti suhu udara, kondisi lingkungan, jenis-jenis zat, kelembaban, aktifitas mayor manusia di daerah tersebut, namun pada umumnya ketinggian akan menjadi faktor paling besar menentukan tekanan udara di suatu daerah.
Soal Latihan
Jelaskan mengapa suhu udara di atas gunung bisa lebih rendah dibandingkan dengan dataran rendah?
Mengapa tekanan Hidrostatis di dalam air jauh lebih tinggi dibandingkan di udara?
Jika paru-paru manusia mampu menahan tekanan 85 mmHg, berapakah ke dalaman maksimun seseroang dapat berenang tanpa alat bantu?
