Anna's Life as a Mom & Chemical Engineer

1.1 PENDAHULUAN

1.1.1 Tujuan Percobaan
Tujuan dari percobaan ini adalah mengetahui cara mengukur rapat massa dan menentukan besarnya rapat massa cairan dan padatan yang tidak berongga.

1.1.2 Latar Belakang
Secara umum densitas atau rapat massa (ρ) suatu zat merupakan perbandingan antara nilai massa zat dengan volume zat tersebut dengan satuan SI gr.cm-3 atau Kg.m-3. Massa jenis dari suatu fluida homogen dapat bergantung banyak faktor, seperti temperatur fluida dan tekanan yang mempengaruhi temperatur tersebut. Untuk cairan, maka massa jenis sangat sedikit berubah pada jangkauan tekanan dan temperatur yang lebar, dan kita dengan aman dapat memperlakukan massa jenis tersebut sebagai suatu konstanta.
Awalnya penggunaan density log (log rapat massa) dipakai dalam industri eksplorasi minyak sebagai alat bantu interpetasi porositas. Kemudian dalam eksplorasi batubara dikembangkan menjadi unsur utama dalam identifikasi ketebalan bahkan kualitas steam batubara. Di mana rapat massa batubara sangat khas yang hanya setengah kali rapat massa batuan lain pada umumnya. Sedangkan untuk hukum Archimedes sendiri, pengaplikasiannya banyak terdapat pada pembuatan kapal selam dan juga pada pengoperasian balon udara. Maka dengan melakukan percobaan ini praktikan akan dapat menerapkan prinsip rapat massa dalam aplikasi-aplikasi tersebut.

1.2 DASAR TEORI

Pada dasarnya suatu benda dalam wujud makroskopis dapat dibedakan atas benda padat dan fluida. Wujud benda yang terakhir ini dibedakan dengan yang pertama, karena fluida dapat mengalir atas dirinya sedang benda padat tak dapat. Karena zat yang dapat mengalir itu hanyalah zat cair dan gas, maka keduanya termasuk fluida (Renreng, 1984: 220).
Kerapatan suatu fluida, dilambangkan dengan huruf ρ (rho), didefinisikan sebagai massa fluida persatuan volume. Kerapatan biasanya digunakan untuk mengkateristikkan massa sebuah sistem fluida. Dalam sistem BG, ρ mempunyai satuan slugs/ft3 dan dalam satuan SI adalah kg/m3. Nilai kerapatan dapat bervariasi cukup besar di antara fluida yang berbeda, namun untuk zat-zat cair, variasi tekanan dan temperatur umumnya hanya memberikan daftar nilai kerapatan beberapa zat cair yang umum. Kerapatan air pada 60oF adalah 1,94 slugs/ft3 atau 999 kg/m3. Perbedaan yang besar dari kedua nilai tersebut menunjukkan pentingnya kita memperhatikan satuan. Tidak seperti zat cair, kerapatan sebuah gas sangat dipengaruhi oleh tekanan dan temperaturnya
(Bruce, 2003: 14).
Ada suatu perbedaan di dalam cara sebuah gaya permukaan bereaksi pada suatu fluida dan pada suatu benda padat. Untuk suatu benda padat tidak ada batasan-batasan pada gaya arah seperti itu, tetapi untuk suatu fluida yang diam maka gaya permukaan harus selalu diarahkan tegak-lurus kepada permukaan. Karena suatu fluida yang diam tidak dapat menahan sebuah gaya tangensial; lapisan-lapisan fluida tersebut akan meluncur di atas lapisan lainnya bila fluida tersebut dipengaruhi oleh gaya seperti itu. Sesungguhnya, ketidakmampuan fluida untuk menolak gaya-gaya tangensial seperti itu (atau tegangan geser) yang memberikan kemampuan karakteristik kepada fluida tersebut untuk mengubah bentuknya atau untuk mengalir (Halliday, 1985: 554).
Rapat gas-gas bisa dihitung dengan menggunakan persamaan keadaan gas atau
(Hukum Boyle dan Charles) ..........(1.1)
dimana P adalah tekanan mutlak dalam pascal, vs volume spesific per satuan massa m3/kg, suhu T adalah suhu mutlak dalam derajat Kelvin (273 + oCelcius) dan R merupakan tetapan gas dalam J/kg K. Karena ρ=1/vs persamaan di atas bisa dituliskan
ρ = ……….(1.2)
Pada peristiwa-peristiwa khususnya yang berkenaan dengan cairan digunakan hasil kali ini yang disebut berat spesifik. Dalam satuan SI akhirnya kata spesifik harus digunakan semata-mata untuk menguraikan sifat-sifat per satuan massa dan istilah berat spesifik tidak lagi digunakan (Gilles, 1996: 2).
Berbeda dengan kerapatan, berat jenis adalah bilangan murni tanpa dimensi yang dapat diubah menjadi kerapatan dengan menggunakan rumus yang cocok. Berat jenis didefinisikan sebagai perbandingan kerapatan dari suatu zat terhadap kerapatan air, harga kedua zat itu ditentukan pada temperatur yang sama, jika tidak dengan cara lain yang khusus. Berat jenis untuk penggunaan praktis lebih sering didefinisikan sebagai perbandingan massa dari suatu zat terhadap massa sejumlah volume air yang sama pada suhu 4oC atau temperatur lain yang tertentu. Berat jenis dapat ditentukan dengan piknometer, neraca Mohr-Westphal dan hidrometer (Martin, 1990: 8).
Hidrometer digunakan untuk menunjukkan berat jenis zat cair. Dapat juga digunakan untuk mengukur massa jenis cairan secara langsung, misalnya massa jenis aki. Hidrometer mempunyai bentuk tabung atau pipa tertutup dengan diameter yang berbeda-beda. Perangkat hidrometer yang satu untuk cairan yang lebih besar berat jenisnya daripada berat jenis air, dan yang kedua untuk zat cair yang lebih ringan (Subroto, 2000: 63).

Gambar 1.1 Hidrometer dan Cara Pembacaan Hidrometer
Konsep kerja hidrometer berdasarkan gaya ke atas di dalam zat cair. Semakin dalam panjang hidrometer yang tengelam maka massa jenis zat cair yang diukur lebih kecil dan semakin dangkal panjang hidrometer yang tenggelam maka massa jenis zat cair yang diukur lebih besar. Hal ini karena adanya gaya apung yang dikerjakan zat cair terhadap hidrometer. Pada zat cair dengan massa jenis lebih kecil, gaya apung yang dikerjakannya kecil pula sehingga panjang hidrometer yang tercelup lebih besar. Dan pada zat cair dengan massa jenis lebih besar, gaya apung yang dikerjakannnya besar sehingga panjang hidrometer yang tercelup lebih kecil (dangkal). Piknometer digunakan sebagai alat bantu dalam mengukur berat jenis bitumen. Berat jenis bitumen adalah perbandingan antara berat bitumen dengan berat air suling dengan isi yang sama pada suhu tertentu. Piknometer berbentuk seperti gelas beker dengan penutup dan skala millimeter (Anonim3, 2009).

Tabel 1.1 Massa Jenis Beberapa Bahan dan Benda dalam kg/m3
Bahan/Benda Kerapatan
Ruang antarbintang
Vakum laboratorium yang terbaik
Hidrogen: pada 0oC dan 1,0 atm
Udara: pada 0oC dan 1,0 atm
pada 100oC dan 1,0 atm
Pada 0oC dan 50 atm
Busa styro
Es
Air: pada 0oC dan 1,0 atm
pada 100oC dan 1,0 atm
pada 0oC dan 50 atm
Aluminium
Air raksa
Platina
Bumi: massa jenis rata-rata
massa jenis inti
massa jenis kerak
Matahari: massa jenis rata-rata
massa jenis di pusat
Bintang cebol putih (massa jenis pusat)
Inti uranium 10-18 – 10-21
~ 10-17
9,0x10-2
1,3
0,95
6,5
~ 1x10-2
0,92x103
1,000x103
0,958x103
1,002x103
2,7x103
1,36x104
2,14x104
5,52x103
9,5x103
2,8x103
1,4x103
~ 1,6x103
108-1015
~1017
(Halliday, 2005: 555-556).
Prinsip Archimedes menyatakan benda yang seluruhnya atau sebagian tenggelam dalam fluida mengalami gaya apung sebesar berat fluida yang dipindahkan. Gaya apung ini dianggap bekerja dalam arah vertikal ke atas dan melalui titik pusat gravitasi. Gaya mengapung (bouyant force) pada sebuah benda yang direndam adalah
F(ke atas) = Vg (ρf – ρo) …(1.4)
dengan Vg adalah volume benda, ρf adalah massa jenis fluida, dan ρo adalah massa jenis benda (Bueche, 1989; 115).

1.3 METODOLOGI PERCOBAAN

1.3.1 Alat dan Deskripsi Alat
Percobaan ini menggunakan alat-alat antara lain piknometer 15 ml, neraca analitk, gelas beker (200, 500, dan 2000 mL), sudip, gelas ukur 100 mL, termometer, pipet tetes, dan gelas arloji.

Deskripsi Alat

Keterangan:
1. Lubang Piknometer
2. Tutup Piknometer
3. Tabung Ukur

Gambar 1.2 Alat Piknometer

1.3.2 Bahan
Percobaan ini menggunakan bahan-bahan antara lain akuades, es batu, garam, dan batu.

1.3.3 Prosedur Percobaan
1.3.3.1 Menentukan Rapat Massa Cairan
1. Menimbang piknometer kosong dan mencatat beratnya.
2. Mengambil akuades dalam gelas beker 500 mL dan mengukur suhunya.
3. Menurunkan suhunya sampai 19oC, bila suhu terlalu tinggi diberi es batu di sekelilingnya.
4. Memasukkan akuades ke dalam piknometer, menimbang dan mencatat beratnya. Melakukannya sebanyak 5 kali.
5. Mengulangi percobaan untuk larutan garam (50 gr garam + 250 mL akuades).

1.3.3.2 Menentukan Rapat Massa Padatan
1. Menimbang batu dengan neraca analitik dan memasukkan 30-40 mL akuades ke dalam gelas ukur.
2. Jumlah air yang naik = volume batu yang dipindahkan.
3. Melakukannya sebanyak 5 kali.

1.4 HASIL DAN PEMBAHASAN
1.4.1 Hasil Pengamatan
Tabel 1.2 Pengukuran pada Akuades suhu < 20oC No. mpiknometer (gram) mpiknometer + akuades (gram) Vakuades (mL) I II III IV V 13,6 13,6 13,6 13,6 13,6 27,6 27,0 27,4 27,2 27,4 15 15 15 15 15 Tabel 1.3 Pengukuran pada Larutan Garam suhu < 20oC No. mpiknometer (gram) mpiknometer + lar. garam (gram) Vakuades (mL) I II III IV V 13,6 13,6 13,6 13,6 13,6 27,8 27,8 27,7 27,4 27,5 15 15 15 15 15 Tabel 1.4 Pengukuran Padatan Batu No. Mbatu (gram) Vo gelas ukur (ml) Vkenaikan akuades dalam gelas ukur (mL) I II III IV V 6,6 6,6 6,6 6,6 6,6 50 50 50 50 50 52 53 52 52 52,5 1.4.2 Hasil Perhitungan
Tabel 1.5 Hasil Perhitungan Rapat Massa Akuades
No. makuades (gram) Vpiknometer (mL) ρ (g/ml)
I
II
III
IV
V 13,7
13,4
13,8
13,6
13,8 15
15
15
15
15 0,9133
0,8933
0,9200
0,9067
0,9200

Tabel 1.6 Hasil Perhitungan Rapat Massa Larutan Garam
No. Mlarutan garam (gram) Vpiknometer (mL) ρ (g/ml)
I
II
III
IV
V 14,2
14,2
14,1
13,8
13,9 15
15
15
15
15 0,9483
0,9483
0,9303
0,9240
0,9172

Tabel 1.7 Hasil Perhitungan Rapat Massa Padatan Batu
No. Mbatu (gram) Vbatu(mL) ρ (g/ml)
I
II
III
IV
V 2,0
3,0
2,0
2,0
2,5 6,6
6,6
6,6
6,6
6,6 3,30
3,20
3,30
3,30
2,64

1.4.3 Pembahasan
Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Massa jenis rata–rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air). Satuan SI massa jenis adalah kilogram per meter kubik (Kg.m-3). Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.
Percobaan ini bertujuan untuk menentukan rapat massa (ρ) dari cairan dan padatan yang tidak berongga. Bahan-bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah akuades dan larutan garam, sedangkan padatan yang digunakan adalah batu. Alat yang digunakan untuk menentukan rapat massa cairan pada akuades dan larutan garam adalah piknometer serta yang digunakan untuk menentukan rapat massa adalah gelas ukur untuk mengukur volumenya (selisih kenaikan akuades).
Piknometer didesain untuk mempertahankan suhu dengan cara memvakumkan ruangan, sehingga cairan yang akan diukur rapat massanya berada dalam volume dan temperatur yang tetap. Larutan yang telah divakumkan artinya tidak ada gelembung udara di dalam piknometer sehingga ketepatan dalam pengukuran massa dan volume dapat dicapai secara maksimal.
Suhu yang digunakan untuk mengukur rapat massa akuades pada percobaan ini adalah kurang dari 20oC. Pengkondisian ini penting untuk menjaga agar suhu tidak cepat naik melebihi 20oC karena akan mempengaruhi rapat massa cairan itu sendiri. Suhu dikhawatirkan cepat naik karena praktikan tidak bekerja pada kondisi standar (25oC). Jika digunakan suhu kurang dari 20oC, peningkatan suhu tidak akan terlalu besar. Penentuan rapat massa ini sangat rentan terhadap perubahan suhu.
Bila suhu mengalami kenaikan, maka volume dari zat tersebut akan lebih mudah mengalami pemuaian, sehingga nilai pada variabel volumenya berubah, yaitu akan menjadi semakin kecil. Akibatnya terjadi perubahan nilai densitas, bila suhu mengalami penurunan maka volume akan menyusut, hingga nilai dari densitas akan berubah., yakni menjadi lebih besar. Oleh karena itu, rapat massa suatu zat merupakan fungsi dari suhu. Besarnya densitas berbanding terbalik dengan volume suatu zat yang diujikan.
Pada air, dikenal istilah anomali air yang berarti penyimpangan sifat air. Antara suhu 0oC sampai 4oC volume air berkurang (menyusut) seiring bertambahnya suhu. Secara teoritis, massa jenis air pada 3oC seharusnya lebih besar dari 4oC, sehingga jika didinginkan seharusnya volume air menyusut, namun kenyataannya, justru akan memuai. Pemuaian berhenti ketika suhu mencapai 0oC, yaitu ketika air membeku. Volume air juga semakin bertambah ketika membeku (terjadi pemuaian volume). Hal ini menyimpang dari teoritis dikarenakan pada rentang suhu tersebut terjadi perubahan dari cair menjadi padat (es batu) dan sebaliknya, hingga menyebabkan ikatan antar molekul menjadi lebih rapat saat dalam keadaan padat (membeku).
Penentuan nilai rapat massa padatan dari batu menggunakan aplikasi dari hukum Archimedes. Jika sebuah benda dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida yang diam, maka setiap permukaan benda mendapatkan gaya tekan sebagai kenaikan volume yang dlakukan oleh fluida. Pada percobaan ini, batu sebagai bendanya dan akuades sebagai fluidanya. Batu yang dimasukkan ke dalam gelas ukur mengalami kenaikan volume air dari volume awalnya, sehingga jumlah air yang naik sama dengan volume batu.
Hasil perhitungan menunjukkan bahwa ρakuades pada suhu kurang dari 20oC dari rata-rata 5 kali percobaan adalah sebesar 0,9106 g/ml. Niilai tersebut hampir menyamai teoritis dari densitas akuades pada suhu 20oC yaitu sebesar 0,998 gr/ml (Himmelblau, 2004). Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa ρlarutan garam sebanyak 5 kali percobaan diperoleh rata-rata ρlarutan garam sebesar 0,9360 g/ml. Densitas batu yang diperoleh dari 5 kali percobaan rata-rata ρbatu sebesar 2,948 g/ml. Dapat dituliskan bahwa ρakuades > ρlarutan garam > ρbatu.
Berdasarkan percobaan yang dilakukan, dapat dianalisis bahwa densitas larutan garam lebih besar dibanding densitas akuades. Adanya perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan struktur dan ikatan molekul setiap zat. Struktur molekul larutan garam lebih rapat daripada akuades, akibatnya ada penambahan konsentrasi zat lain di dalam cairan. Dengan struktur-struktur molekul yang lebih rapat menyebabkan massa dari zat tersebut juga bertambah, sehingga berdampak pada peningkatan densitas zat tersebut (densitas berbanding lurus dengan massa).
Pada hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa ternyata rapat massa cairan lebih kecil dibandingkan dengan padatan. Hal ini disebabkan karena gaya tarik yang ditimbulkan masing-masing zat dan banyaknya molekul zat tersebut. Molekul-molekul padatan lebih rapat dan ikatan antarmolekulnya lebih kuat dibandingkan dengan larutan. Nilai rapat massa padatan (batu) yang lebih besar daripada akuades atau larutan garam inilah yang membuat batu akan selalu tenggelam apabila dimasukkan ke dalam suatu cairan (kecuali larutan tersebut memiliki rapat massa lebih besar daripada padatan tersebut).

1.5 PENUTUP

1.5.1 Kesimpulan
Kesimpulan dari percobaan ini adalah sebagai berikut:
1. Rapat massa suatu cairan dapat diukur dengan menggunakan alat piknometer dan rapat massa suatu padatan dapat diukur dengan menggunakan prinsip hukum Archimedes.
2. Rapat massa cairan lebih kecil daripada rapat massa padatan.
3. Rapat massa rata-rata akuades pada suhu < 20oC sebesar 0,9106 g/ml. 4. Rapat massa rata-rata larutan garam pada suhu < 20oC sebesar 0,9360 g/ml. 5. Rapat massa rata-rata batu sebesar 2,948 g/ml. 1.5.2 Saran
Saran untuk percobaan ini adalah sebaiknya alat yang digunakan dalam keadaan kering dan lebih cermat dalam melakukan penimbangan. Selain itu, dalam pengisian piknometer diusahakan sampai penuh.


semoga manfaat^^