Kerapatan Zat

 

Apabila ada batu bata yang jatuh mengenai kaki kalian pasti terasa sakit, namun bila air, dalam volume yang sama dengan batu bata, yang tumpah mengenai kakimu, mengapa tidak sakit? Coba pikirkan alasannya, lalu diskusikan dengan teman sekelompok kalian.

Untuk menjawab pertanyaan di atas, kalian bisa menghubungkan kembali dengan keadaan partikel-partikel dalam zat padat dan zat cair. Perhatikanlah Gambar berikut ini.

Gambar Perbandingan kerapatan partikel batu bata dan air

Pada volume yang sama (besar kotak sama), maka jika kalian menghitung jumlah partikel, akan ada lebih banyak partikel zat padat dibandingkan partikel zat cair dalam volume yang sama. Kenapa bisa lebih banyak? Karena partikel pada zat padat lebih rapat dibandingkan dengan zat cair.

Apakah alasan kalian pada saat kegiatan apersepsi benar? Selamat kalian telah menerapkan pemahaman dengan sangat baik. Apabila alasan kalian masih salah, jangan berkecil hati karena ini bagian dari proses belajar. Kita bisa belajar dari kesalahan kita.

Secara konsep IPA, konsep yang membedakan keadaaan partikel-partikel dalam hal kerapatannya dalam suatu materi disebut sebagai kerapatan atau massa jenis. Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya.

Walaupun emas dan es sama-sama zat padat, namun ternyata keduanya memiliki kerapatan partikel yang berbeda. Bahkan massa jenis setiap materi berbeda-beda, yang dapat dijadikan sebagai penanda suatu zat. Massa jenis suatu zat yang sama tetap sama, walaupun ukurannya berbeda.

1. Menentukan Massa Jenis Suatu Benda

Perhatikanlah Gambar di bawah ini untuk membandingkan massa dari empat materi yang volume yang sama.

Gambar Massa beberapa materi dengan volume yang sama

Dari gambar di atas, kalian pasti sudah mengetahui mana materi yang paling rapat atau dengan kata lain, yang massa jenisnya paling tinggi, kan?

Sekarang bandingkanlah 1 kg besi dengan 1 kg kapas, manakah yang lebih berat? Banyak orang yang terkecoh dengan pertanyaan ini dan akan langsung menjawab besi, padahal jika diperhatikan dengan teliti, besi dan kapas sama-sama 1 kg. Hanya saja akan dibutuhkan banyak sekali kapas agar dapat mencapai massa 1 kg, sementara besi hanya dibutuhkan sedikit, berarti ada perbedaan volume.

Massa jenis termasuk besaran turunan. Masih ingatkah kalian apa yang dimaksud dengan besaran turunan? Kita telah mempelajarinya pada bab sebelumnya. Seperti terlihat pada paragraf sebelumnya, massa jenis suatu benda bergantung pada massa dan volume benda. Dari Gambar di atas kalian sudah mengetahui bahwa pada volume yang sama, kerapatan ditentukan oleh massa suatu benda. Dengan kata lain, massa jenis adalah massa dari suatu materi yang volumenya 1 cm³. Namun tidak semua benda memiliki volume 1 cm³ sehingga massa jenis dapat dinyatakan sebagai perbandingan antara massa dan volume atau dirumuskan:

dimana  ρ (dibaca ‘rho’ dari Bahasa Yunani) adalah simbol untuk massa jenis, m adalah massa, dan V ialah volume. Satuan dari massa jenis dapat dinyatakan dalam kg/m³ atau g/cm³. Berikut ini adalah contoh soal untuk menentukan massa jenis suatu benda.

Soal: Tentukanlah massa jenis dari objek berikut ini, yang memiliki massa 120 g.

Jawab: Langkah pertama menyelesaikan soal ini adalah menghitung volume benda, sementara massa benda telah diketahui, yaitu 120 g.

Volume =  panjang × lebar × tinggi  =  6 cm × 4 cm × 5 cm  = 120 cm³

Setelah mengetahui massa dan volume benda, sekarang kalian dapat menentukan massa jenis.

Dalam melakukan praktik menentukan massa jenis di laboratorium, massa benda selalu dapat diperoleh dengan menggunakan timbangan. Adapun volume benda dapat ditentukan dengan menggunakan rumus volume yang telah kalian pelajari pada pelajaran Matematika. Akan tetapi bagaimana mengukur volume benda-benda yang tidak beraturan, seperti batu, kayu atau bongkahan logam? Nah ada seorang ilmuwan yang sangat berjasa dalam menentukan volume benda tidak beraturan ini. Tahulah kalian cerita tentang Archimedes? Dialah penemu konsep massa jenis ini. Simaklah serunya penemuannya dalam cerita berikut.

Pada tahun 250 sebelum Masehi di kota Syracuse diperintahkan oleh seorang raja yang bernama Hiero. Raja Hiero ingin membuat suatu mahkota emas untuk dirinya. Ia sendiri yang menimbang emas murni lalu memerintahkan seorang pandai besi untuk membuatkannya mahkota yang hanya terbuat dari emas itu. Pandai besi membuat mahkota yang sangat indah dan raja Hiero mengenakan dengan penuh kepuasan. Namun ada beberapa orang di sekitar raja yang mengatakan bahwa pandai besi itu sering bersikap curang sehingga perlu dicek lagi kandungan mahkota raja tersebut apakah seluruhnya mengandung emas murni.

Raja Hiero pun memanggil seorang ahli Matematika yang jenius bernama Archimedes untuk menyelidiki kandungan mahkotanya. Archimedes menyanggupi permintaan raja Hiero walaupun sangat sulit. Berhari-hari ia memikirkan cara menyelidiki hal ini. Pada suatu saat, ketika mandi Archimedes mencelupkan dirinya ke bak yang penuh berisi air. Dia menyadari ada air yang tumpah keluar saat ia mencelupkan diri ke bak itu. Ia pun menemukan bahwa jumlah air yang tumpah sama dengan volume tubuhnya yang masuk dalam air. Maka ia telah menemukan cara untuk menyelesaikan tugas dari raja. Karena sangat senang, ia pun keluar dari pemandian dan berteriak dalam bahasa Yunani, “EUREKA! EUREKA!. Kata yang terkenal ini artinya adalah “saya telah menemukannya”.

Archimedes menggunakan cara yang sederhana. Ia mengisi suatu wadah dengan air sampai penuh. Setelah tidak ada air lagi yang tumpah, ia memasukkan emas murni yang beratnya sama dengan mahkota raja ke dalam air. Air yang tumpah ia ukur volumenya. Lalu ia melakukan hal yang sama dengan menggunakan mahkota raja. Volume air yang keluar ia bandingkan. Apabila mahkota raja mengandung emas murni maka volume ini mestinya sama. Jika tidak sama berarti ada mahkota raja tidak hanya terbuat dari emas saja. Menurut kamu bagaimana akhir cerita ini? Coba cari informasinya dari internet atau buku mengenai penemuan Archimedes. Yang pasti sampai saat ini prinsip Archimedes terus digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan pengembangan ilmu pengetahuan.

Archimedes mengidentifikasi masalah, kemudian ia membuat hipotesis berdasarkan pengamatan ketika mandi. Ia lalu menguji hipotesis dengan bereksperimen. Archimedes telah menggunakan metode ilmiah untuk menyelesaikan masalah mahkota raja. Archimedes juga menggunakan pengetahuannya untuk menyelesaikan masalah tersebut. Inilah inti dari semua ilmu Sains. Kalian juga bisa menjadi ilmuwan seperti Archimedes.

Contoh pengukuran volume benda tidak beraturan dapat terlihat pada Gambar berikut, yaitu dengan menggunakan gelas berpancur (Gambar-a) atau langsung menggunakan gelas ukur (Gambar-b).

Mengukur volume benda tidak beraturan dengan (a) menggunakan gelas berpancur dan dengan (b) menggunakan gelas ukur

Apabila menggunakan gelas berpancur, maka volume air yang keluar setelah benda dimasukkan ditampung dalam gelas ukur sehingga dapat diukur volume secara langsung. Adapun bila menggunakan gelas ukur, maka volume benda dapat diperoleh dengan mengurangkan volume air dan benda terhadap volume air (tanpa benda).

2. Mengapung dan Tenggelam

Batu ada yang bisa mengapung dan kayu ada yang tenggelam dalam air

Apabila kalian memasukkan batu ke dalam air pasti akan tenggelam kan? Bagaimana dengan kayu? Apakah pasti mengapung? Walaupun pada umumnya demikian, namun ternyata tidak semua batu akan tenggelam dalam air, demikian juga tidak semua jenis kayu akan mengapung dalam air. Benda yang memiliki massa jenis kurang dari massa jenis cairan di sekelilingnya akan mengapung, sebaliknya apabila benda tersebut massa jenisnya lebih tinggi dari mediumnya, maka benda akan tenggelam. Dengan kata lain:

Massa jenis benda > massa jenis cairan : benda tenggelam

Massa jenis benda < massa jenis cairan : benda mengapung

Perhatikan Gambar di bawah tentang seseorang yang sedang berada di dalam Laut Mati. Ia tidak perlu berusaha untuk berenang karena tubuh kita akan mengapung ketika kita berada di Laut Mati. Kalian bisa lihat orang itu bahkan sedang santai membaca sambil mengapung. Mengapa bisa demikian? Simaklah Fakta Sains berikut ini.

Orang membaca di Laut Mati

Fakta Sains: Laut Mati

Laut Mati sebenarnya adalah sebuah danau yang sangat besar. Karena ukurannya yang sangat besar, makanya diputuskan untuk menyebut danau ini disebut sebagai laut. Laut Mati juga merupakan tempat terendah di Bumi, sekitar 300 m lebih rendah dari permukaan laut. Penguapan air selalu terjadi di sini, namun mineral dan garam tidak menguap karena titik didihnya sangat tinggi dibandingkan air. Di danau ini airnya juga tidak keluar kemana pun sehingga kandungan mineral dan garam sangat tinggi sehingga tidak ada makhluk hidup yang bisa bertahan hidup di sini, karenanya disebut Laut Mati.

Massa jenis air Laut Mati adalah 1,24 gr/cm³ karena banyaknya kandungan garam dan mineral. Adapun massa jenis tubuh manusia adalah 0,985 gr/cm³. Karena massa jenis tubuh manusia lebih kecil, makanya manusia bisa mengapung dengan mudahnya di Laut Mati.

Perbedaan kerapatan atau massa jenis tidak hanya terjadi pada padatan yang dicelupkan ke dalam cairan, namun dapat juga terjadi pada dua atau beberapa jenis cairan, bahkan juga pada gas. Bandingkan cairan-cairan pada Gambar berikut dari segi kerapatannya. Ingatlah perbandingan massa jenis menentukan posisi cairan sama seperti padatan.

Berbagai cairan dengan kerapatan yang berbeda.

Cairan yang partikel-partikelnya paling rapat akan berada pada lapisan paling bawah dan cairan yang paling renggang partikelnya, berada pada lapisan paling atas. Jika demikian coba kalian urutkanlah cairan dari yang paling rapat ke yang paling renggang sesuai Gambar di atas.

Balon helium bisa terbang lebih tinggi dan lebih lama berada di udara karena partikel-partikel dalam gas helium kurang rapat dibandingkan partikel-partikel udara. Lama kelamaan gas helium akan menguap ke udara dan digantikan oleh gas sehingga balon akan jatuh. Pada Bab III nanti kalian akan mengenal lebih jauh tentang balon udara dan cara kerjanya.

Balon berisi helium terbang lebih tinggi

Referensi

Ilmu Pengetahuan Alam SMP Kelas VII. Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Riset, dan Teknologi Republik Indonesia, 2021. Penulis: Victoriani Inabuy, Dkk. ISBN: 978-602-244-384-1 (Jilid-1)

Baca juga:

Zat dan Perubahannya
01	Wujud Zat dan Model Partikel
02	Aktivitas Wujud Zat dan Model Partikel
03	Uji Wujud Zat dan Model Partikel
04	Perubahan Wujud Zat
05	Aktivitas Perubahan Wujud Zat
06	Uji Perubahan Wujud Zat
07	Perubahan Fisika dan Kimia
08	Aktivitas Perubahan Fisika dan Kimia
09	Uji Perubahan Fisika dan Kimia
10	Kerapatan Zat
11	Aktivitas Kerapatan Zat
12	Proyek Berpikir secara Sains