Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON
DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI
Makalah Seminar Fisika
Disusun Oleh:
Niken Rizky Amalia Nuraini (K2313051)
Disebarluaskan oleh:
www.pakgurufisika.com
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017

ii
TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON
DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI
Oleh :
Niken Rizky Amalia Nuraini
K2313051
Makalah Seminar Fisika
Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Persyaratan
Guna Menempuh Ujian Mata Kuliah Seminar Fisika
di Program Studi Pendidikan Fisika
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017

iii
ABSTRAK
Niken Rizky Amalia Nuraini. TINJAUAN FISIS SISTEM PENGANGKUTAN
AIR DALAM POHON DAN PARADOKS TEORI TEGANGAN KOHESI
Makalah Seminar Fisika, Surakarta : Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan,
Universitas Sebelas Maret Surakarta. Desember 2017.
Tujuan penulisan Makalah Seminar Fisika ini adalah (1) menjelaskan
tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon (2) menjelaskan perdebatan
mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air
dalam pohon. Makalah ini disusun berdasarkan kajian literatur seperti buku,
jurnal, internet, dan literatur lainnya yang membahas tentang tinjauan fisis sistem
pengangkutan air dalam pohon dan paradoks Teori Tegangan Kohesi.
Berdasarkan hasil pembahasan, dapat diperoleh kesimpulan : (1) Prinsip
fisika yang digunakan pohon untuk dapat mengangkut air ke puncak tertinggi
adalah tekanan negatif pada fluida, kapilaritas pada ujung saluran xilem, dan
transpirasi. Jika meninjau pohon redwood yang tingginya berkisar 100 meter,
dibutuhkan beda tekanan 1 MPa atau 10 atm. Hal ini diatasi pohon dengan
menciptakan tekanan negatif. Tekanan negatif menandakan air dalam keadaan
tegang (seperti tali yang sedang mengangkat beban ditarik dari atas), dan gaya
gravitasi yang menarik kolom air ke bawah sedangkan kapilaritas pada pori-pori
dinding sel yang menahan air dari atas. Adanya transpirasi membuat tekanan uap
di dalam daun selalu berkurang, sehingga proses ini akan menarik air dari sel
sebelah dalam daun dan seterusnya. Hal ini adalah mekanisme pasif yang tidak
membutuhkan energi dari pohon sebab transpirasi terjadi sebab energi cahaya
matahari, (2) Pada awal diusulkan Teori Tegangan Kohesi, teori tersebut
menimbulkan perdebatan. Para fisikawan pesimis bahwa air bisa dalam keadaan
metastabil dalam rentang waktu lama, bahkan sampai berpuluh-puluh tahun
seperti pada pohon. Air yang mengalami penurunan tekanan sedemikian ekstrim
seharusnya mendidih (fase uap), yang disebut dengan kavitasi. Gelembung-
gelembung uap yang berukuran besar akan memutus aliran air, atau dengan kata
lain saluran tersumbat oleh udara. Gejala ini disebut embolisme. Hasil pelbagai
penelitian menunjukkan bahwa kavitasi memang dapat terjadi. Gelembung-
gelembung uap air yang kecil dapat dengan mudah pecah dan udara di dalam
gelembung diserap kembali oleh air. Namun gelembung-gelembung uap yang
besar akan menyebabkan embolisme, dan hal tersebut wajar dijumpai ketika
tanaman kekurangan air atau pada saat musim semi setelah air di dalam xilem
mencair. Alhasil, adanya kavitasi dan embolisme semakin memperkuat kebenaran
Teori Tegangan Kohesi.
Kata kunci: teori tegangan kohesi, pengangkutan air, paradoks, transpirasi

iv
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i
HALAMAN PENGAJUAN................................................................................ ii
HALAMAN PERSETUJUAN............................................................................ iii
HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. iv
HALAMAN ABSTRAK .................................................................................... v
HALAMAN MOTTO......................................................................................... vi
HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... vii
KATA PENGANTAR....................................................................................... viii
DAFTAR ISI ...................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... x
DAFTAR TABEL ............................................................................................. xii
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah................................................................. 1
B. Identifikasi Masalah ....................................................................... 2
C. Pembatasan Masalah ...................................................................... 2
D. Perumusan Masalah........................................................................ 2
E. Tujuan Penulisan............................................................................ 3
F. Manfaat Penulisan.......................................................................... 3
BAB II. PEMBAHASAN
A. Jaringan Pengangkut Air pada Pohon ............................................ 4
B. Transpirasi...................................................................................... 7
C. Fluida ............................................................................................. 9
D. Perubahan Fasa Zat ........................................................................ 16
E. Air.................................................................................................. 20
F. Tegangan........................................................................................ 29
G. Teori Tegangan Kohesi .................................................................. 37
BAB III. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan .................................................................................... 56
B. Saran .............................................................................................. 57
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 58

v
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
2.1. (a) Trakea atau Pembuluh, (b) Trakeid ...................................................... 6
2.2. Meniskus di Ujung Xilem.......................................................................... 8
2.3. Kurva Fungsi Distribusi Maxwell-Boltzmann ........................................... 9
2.4. (a) Gas Menekan Ban ke Segala Arah (b) Air Menekan Seluruh Tubuh
Perenang.................................................................................................... 11
2.5. Total Tekanan Sama pada Ketinggian yang Sama..................................... 12
2.6. Barometer Toricelli ................................................................................... 13
2.7. Diagram Bebas Gaya pada Sedotan........................................................... 14
2.8. Sistem Pompa Air Gedung Pencakar Langit.............................................. 15
2.9. Diagram Fasa untuk Air. ........................................................................... 19
2.10. Titik Didih dan Titik Lebur Beberapa Molekul ......................................... 21
2.11. Struktur Skematik Molekul Air ................................................................. 22
2.12. (a) Satu Molekul Air Berikatan dengan Empat Molekul Air (b) Struktur
Kristal Es................................................................................................... 23
2.13. Struktur Molekul Air pada (a) Padat, (b) Cair, dan (c) Gas........................ 24
2.14. Ilustrasi Sudut Kontak Air dan Merkuri terhadap Kaca ............................ 27
2.15. Komponen Gaya pada Kapilaritas ............................................................. 28
2.16. (a) Batang yang Tegang, (b) Tegangan pada Irisan Tegak Lurus , (c) dan (d)
Tegangan di Irisan Miring ......................................................................... 30
2.17. Gaya Geser Diberikan pada Buku.............................................................. 31
2.18. Grafik Tegangan Terhadap Regangan ....................................................... 32
2.19. Elemen Tensor Tegangan Bidang xy......................................................... 33
2.20. Penyederhanaan Ilustrasi Tegangan Bidang .............................................. 34
2.21. Elemen di dalam Fluida Statik................................................................... 35
2.22. Demonstrasi: (a) Evaporasi, (b) Transpirasi, dan (c) Tekanan Akar .......... 38
2.23. Kohesi dan Adhesi di Dalam Xilem .......................................................... 39
2.24. Kurva Hasil Dendograf.............................................................................. 40
2.25. Kecepatan Aliran Air di Pohon.................................................................. 41
2.26. Ilustrasi Kumpulan Saluran Xilem............................................................. 43
2.27. Ilustrasi Tekanan pada Pori-Pori Dinding Sel Mesofil............................... 44

vi
2.28. Permukaan Luar Pori-Pori Mesofil Daun .................................................. 45
2.29. Tekanan pada Bejana Berhubungan........................................................... 49

vii
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
2.1. Jenis Sel Jaringan Pengangkut Xilem ........................................................ 5
2.2. Properti Fisika dari Air.............................................................................. 17
2.3. Laju Air, Diameter Xilem, dan Gradien Tekanan yang Telah Dihitung..... 43

1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah
Fluida adalah zat alir yang dapat mengalir (zalir), yang dapat berupa gas
ataupun zat cair. “Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus-
menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser
tersebut” (Streeter & Wylie, 1999: 3). Menurut Serway dan Jewett (2009: 638),
“Fluida adalah kumpulan molekul yang tersusun secara acak dan melekat
bersama-sama akibat suatu gaya kohesi lemah akibat gaya-gaya yang dikerjakan
oleh dinding-dinding wadah.” Dengan kata lain, fluida mudah berubah bentuk,
tergantung dari tempat fluida itu berada.
Air termasuk dalam fluida. Disarikan dari Campbell (2002: 40) bahwa
air adalah medium biologis di Bumi. Kehidupan di Bumi diawali di air dan selama
3 miliar tahun berkembang di sana sebelum berkembang ke daratan. Sedangkan
diterjemahkan dari Nobel (2009: 45), “Air adalah penyusun pokok dari sel
tumbuhan, baik di vakuola maupun dinding sel.” Diterjemahkan pula dari Kramer
(1969: 3), “hampir setiap proses pada tanaman dipengaruhi oleh suplai air, baik
secara langsung maupun tidak.”
Namun air harus melawan gravitasi untuk dapat sampai ke puncak
pohon. Hal tersebut bukanlah mekanisme yang mudah, mengingat air hanya dapat
diisap setinggi 10,3 meter oleh pompa vakum sebaik apapun. Tekanan atmosfer
tidak dapat menahan satu kolom air yang melebihi tinggi tersebut. Di sisi lain,
agar pohon dapat mentransportasikan air ke puncak setinggi 100 meter (seperti
dijumpai pada pohon-pohon konifer), pohon harus menciptakan beda tekanan
setidaknya 1 MPa atau 10 atm. Padahal, sel-sel penyusun jaringan pengangkut air
xilem tersusun atas sel-sel mati.
Selama bertahun-tahun teori tentang pengangkutan air silih berganti
diusulkan. Teori tekanan akar yang mengusulkan bahwa akar mempunyai tekanan
untuk mendorong air ke atas tidak berlaku di semua tanaman, terutama pohon
tinggi. Osmosis pun demikian, tidak semua tanaman hidup di lingkungan yang
memungkinkan terjadi osmosis air dari lingkungan ke dalam akar. Tanaman bakau

2
dan sejenisnya yang hidup di air payau mengalami osmosis dengan arah
berkebalikan, dari akar ke lingkungan. Kapilaritas pun bukan menjadi solusi.
Diameter tabung xilem yang berkisar antara 20 sampai dengan 200 mikrometer
hanya dapat menaikkan air kurang dari 1 meter. Tentu ada mekanisme lain yang
digunakan pohon selain dugaan-dugaan tersebut.
Teori Tegangan Kohesi hadir menawarkan usulan mengenai mekanisme
pengangkutan air ke puncak pohon, bahkan pohon tertinggi sekalipun. Namun
hadirnya teori ini disertai dengan kritik dan bantahan.
Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka pada Seminar Fisika
ini akan dilakukan pembahasan materi mengenai tinjauan fisis pengangkutan air
pada pohon yang selanjutnya diberi judul “TINJAUAN FISIS SISTEM
PENGANGKUTAN AIR DALAM POHON DAN PARADOKS TEORI
TEGANGAN KOHESI”.
B. Identifikasi Masalah
Dari uraian latar belakang masalah di atas maka dapat diidentifikasi
masalah sebagai berikut:
1. Pohon-pohon tinggi terus tumbuh ke atas melawan gravitasi.
2. Ada prinsip Fisika yang menjadi kunci pengangkutan air dalam pohon.
3. Kebenaran Teori Tegangan Kohesi mengenai mekanisme pengangkutan air
dalam pohon diperdebatkan.
C. Pembatasan Masalah
Dari identifikasi masalah di atas, maka dalam Makalah Seminar Fisika
ini dibatasi pada:
1. Tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon.
2. Perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme
pengangkutan air dalam pohon
D. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang masalah, identifikasi masalah, dan
pembatasan masalah, maka dapat dibuat perumusan masalah sebagai berikut:
1. Bagaimana tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon?

3
2. Bagaimana perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang
mekanisme pengangkutan air dalam pohon?
E. Tujuan Penulisan Makalah
Berdasarkan perumusan masalah di atas, tujuan dari penulisan Makalah
Seminar Fisika ini adalah sebagai berikut:
1. Menjelaskan tinjauan fisis sistem pengangkutan air dalam pohon.
2. Menjelaskan perdebatan mengenai paradoks Teori Tegangan Kohesi tentang
mekanisme pengangkutan air dalam pohon.
F. Manfaat Penulisan Makalah
Manfaat yang diharapkan dari Makalah Seminar Fisika ini adalah sebagai
berikut:
1. Menambah pengetahuan bagi penulis maupun pembaca mengenai tinjauan
fisis sistem pengangkutan air dalam pohon dan perdebatan mengenai paradoks
Teori Tegangan Kohesi tentang mekanisme pengangkutan air dalam pohon.
2. Sebagai masukan bagi seminar-seminar maupun penelitian-penelitian dalam
bidang pengangkutan air dalam pohon.

4
BAB II
PEMBAHASAN
A. Jaringan Pengangkut Air pada Pohon
Dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia, pohon adalah tanaman berbatang
keras dan besar. Pohon adalah bahasa sehari-hari masyarakat Indonesia dengan
hanya sebatas mengamati ciri luar memiliki batang keras dan besar. Dalam
Biologi, tanaman (Kindom Plantae) terdiri atas berbagai jenis, mulai dari tidak
berpembuluh seperti alga hingga berpembuluh seperti pohon kayu merah.
Tumbuhan berpembuluh atau disebut tumbuhan vaskuler merupakan hasil evolusi
sedemikian rupa, sehingga air dan hasil fotosintesis diangkut melalui saluran
tertentu. Pengangkutan air pada pohon dilakukan oleh jaringan pengangkut xilem.
1. Jaringan Xilem Secara Umum
Dari pendapat Toto & Yulisma (2017: 63) dapat disimpulkan bahwa
air dan mineral dari dalam tanah diserap oleh akar kemudian diangkut
melalui xilem, dan xilem yang ada di akar bersambungan dengan xilem yang
ada di batang dan di daun. Menurut Hidayat (1995: 76), “Pada batang, berkas
xilem umumnya bergabung dengan berkas floem dalam suatu ikatan berkas
pembuluh. Kombinasi xilem dan floem membentuk sistem jaringan pembuluh
yang sinambung di seluruh tubuh tumbuhan, termasuk semua cabang batang
dan akar.” Berdasarkan pendapat Zimmerman dalam Debenedetti (1996: 22),
“Pada sebagian besar pohon, siklus hidup xilem bergerak ke dalam dengan
dibentuknya sebuah cincin pertumbuhan baru setiap tahunnya.”
Mulyani (2006: 158) menyatakan, “Xilem adalah jaringan rumit yang
terdiri atas berbagai tipe sel. Sel yang terpenting adalah unsur trakeal, yang
terdiri atas sel tidak hidup yang fungsi utamanya untuk pengangkutan air, dan
pada tahap tertentu berfungsi untuk penguat.” Fahn (1995: 175)
mengungkapkan, “Pada xilem juga terdapat serat yang berfungsi sebagai
penguat tubuh tumbuhan. Kadang-kadang didapati pula sklereid. Sel-sel
parenkim juga didapati pada xilem yang berfungsi sebagai tempat makanan
dan fungsi-fungsi lain.” Tabel 2.1 menunjukkan sel utama dalam xilem serta
fungsi terpentingnya.

5
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa air dan mineral
dari dalam tanah diserap oleh akar kemudian diangkut melalui xilem ke
bagian batang dan daun tumbuhan. Xilem adalah jaringan rumit yang terdiri
atas berbagai tipe sel.
Tabel 2.1. Jenis Sel Jaringan Pengangkut Xilem (Hidayat, 1995: 78)
Jenis Sel Fungsi Utama
Sistem Aksial
Unsur Trakeal Pengangkut Air
Trakeid
Komponen Trakea (sel yang
membentuk trakea atau pembuluh
kayu)
Serat Penyokong, kadang-kadang
penyimpan cadangan makananSerat Trakeid
Serat Libriform
Sel Parenkim
Sistem Radial Penyimpan cadangan makanan
dan translokasi zat ergastikSel Parenkim
Pada beberapa Coniferae ada trakeid
jari-jari empulur
Berikut akan dibahas lebih lanjut mengenai unsur trakeal yang
berperan sebagai tabung penyalur air dari akar ke daun. Adapun serat dan
sistem radial tidak dibahas lebih lanjut karena tidak berperan langsung dalam
pengangkutan air.
2. Unsur Trakeal
Hidayat (1995: 78) menyatakan, “Unsur trakeal merupakan sel xilem
yang paling tinggi spesialisasinya, dan bertugas dalam pengangkutan air
beserta zat terlarut. Selnya memanjang dan merupakan sel mati. Dinding unsur
trakeal berlignin dan terdapat penebalan sekunder dengan macam-macam
noktah.” Menurut Fahn, “Noktah adalah bagian-bagian tipis pada dinding sel
yang dapat menyalurkan air dengan mudah” (1995: 5).
Dari pendapat Fahn (1995: 176) dapat disimpulkan bahwa unsur
trakeal dibedakan dua tipe dasar unsur-unsur trakeal, yaitu trakeid dan anggota

6
pembuluh (disebut juga trakea), seperti ditunjukkan Gambar 2.1. Hidayati
(1995: 79) menyatakan, “Perbedaan utama antara kedua macam sel itu adalah
trakeid merupakan sel yang ujungnya runcing tanpa lubang (perforasi),
sedangkan trakea memiliki lubang atau berperforasi, biasanya pada kedua
dinding ujungnya.”
Gambar 2.1. (a) Trakea atau Pembuluh, (b) Trakeid
(Inayati, 2011: 1)
Dari pendapat Hidayat (1995: 79-80) dapat disimpulkan bahwa pada
trakeid, pengangkutan air terjadi melalui noktah di antara ujung trakeid yang
saling menimpa karena bagian noktah yang bukan selulosa telah hilang akibat
reaksi enzim, maka air dapat menembus dengan mudah. Pada trakea, air bebas
bergerak melalui lubang.
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa air mengalir
melalui tabung sel-sel trakeid dan tabung sel-sel trakea, yang merupakan sel
mati. Pada trakeid, antarsel saling tindih, dan air mengalir melalui dinding
yang dapat ditembus air disebut noktah. Sedangkan pada trakea, ujung-ujung
dinding sel yang saling bertemu memiliki perforasi atau lubang. Air bebas
bergerak melalui lubang tersebut. Oleh karena saluran xilem dari akar ke
(a) (b)

7
bagian atas pohon tersusun dari jaringan mati, maka air dinaikkan melalui
proses fisika murni (bukan biofisik).
B. Transpirasi
Salisbury & Ross (1995: 72) mengungkapkan, “Seorang ahli ilmu tanah
dari Utah State University, John Hanks, meneliti tanaman jagung pada tahun 1974.
Hanks mendapati bahwa pada tanaman jagung, hanya kira-kira 1% air yang
menjadi bagian dari biomassa.” Loveless (1991: 163) mengungkapkan, “Sebatang
tanaman jagung, misalnya, menyerap sekitar 200 liter air selama pertumbuhannya
dari tahap semai sampai tahap dewasa, tetapi hanya dua liter yang terdapat dalam
sebatang tumbuhan dewasa.” Dari pendapat Debenedetti (35: 1996) dapat
disimpulkan bahwa bahwa lebih dari 90% air yang naik di xilem menguap dari
dinding sel daun menuju udara sekitar. Soerodikoesoemo (1993: 249)
menyatakan, “Meskipun air merupakan penyusun utama tubuh tumbuhan, namun
sebagian besar air yang diserap akan dilepaskan kembali ke atmosfer dan hanya
sebagian kecil yang digunakan untuk metabolisme dan mengatur turgor sel.”
“Sudah umum diketahui bahwa tumbuhan mengisap air, meskipun
biasanya tidak disadari bahwa sebagian besar air yang diserap itu menguap ke
udara. Alasannya jelas, karena air yang diserap berupa cairan yang dapat dilihat
sedangkan air yang hilang dalam bentuk yang tidak tampak yaitu uap air”
(Loveless, 1991: 159-190). Dari penjelasan-penjelasan tersebut dapat disimpulkan,
bahwa air yang diserap dari tanah, hanya sebagian kecil yang digunakan untuk
tumbuh dan selebihnya dikembalikan ke atmosfer.
Lakitan (2012: 53) mengungkapkan, “Transpirasi dapat diartikan sebagai
proses kehilangan air dalam bentuk uap melalui stomata. Kemungkinan
kehilangan air dari jaringan tanaman lain dapat saja terjadi, tetapi porsi kehilangan
tersebut sangat kecil dibandingkan dengan yang hilang melalui stomata.”
Penguapan yang biasa disebut evaporasi memiliki istilah berbeda jika
media perantaranya adalah makhluk hidup. Seperti yang dikutip dari Salisbury &
Ross, “Penguapan air dari tumbuhan (dan hewan, menurut banyak pustaka)
disebut trasnpirasi” (1995: 71). “Transpirasi adalah penguapan air dari tanaman.

8
Transpirasi terjadi terutama di daun saat stomata membuka untuk perjalanan CO2
dan O2 selama fotosintesis” (Biology Pages, 2011: 1).
Pada suatu ekosistem yang terdapat banyak tumbuhan, banyak dari siklus
air yang kembali ke atmosfer melalui transpirasi daripada evaporasi. Dari
pendapat Loveless (1991: 163) dapat disimpulkan bahwa,
Kehilangan air dari suatu luasan vegetasi tidak hanya mencakup air yang
hilang oleh transpirasi tetapi juga yang hilang karena evaporasi permukaan
tanah, keduanya disebut evapotranspirasi. Melalui percobaan diketahui
bahwa evaporasi tanah menyumbangkan lebih sedikit kepada
evapotranspirasi total daripada transpirasi tanaman.
Selain itu, dari pendapat Irwan (2010: 80) dapat disarikan bahwa air
hujan jatuh ke bumi dengan berbagai cara, dan kemudian kembali ke atmosfer
oleh penguapan dan transpirasi tumbuhan. Air yang ada di atmosfer selalu
diperbaharui tiap 10,5 hari melalui penguapan dan jasa baik tumbuhan. “Pelepasan
uap air ke atmosfer dari dedaunan pohon merupakan salah satu faktor kunci dalam
menentukan iklim lokal” (Brown, 2013: 323).
Dalam cairan, molekul bergerak pada kecepatan yang berbeda. Sebagian
besar tidak memiliki kecepatan yang cukup untuk melepaskan diri dari kekuatan
tarik dengan molekul lainnya. Namun Hoang (2013: 9) menjelaskan, “Setelah
urutan tabrakan acak, beberapa molekul cair akan mencapai kecepatan yang cukup
besar untuk melepaskan diri dari kekuatan tarik. Saat suatu molekul memutus
hubungan dengan molekul lain, molekul tersebut berubah menjadi fase gas.” Hal
ini ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Meniskus di Ujung Xilem (Hoang, 2013: 9)
Hanya molekul yang
cepat yang dapat
lolos

9
Molekul pada zat cair mempunyai distribusi laju yang mendekati
distribusi Maxwell (Giancoli, 2001: 471). Dari pendapat Young & Freedman
(2000: 515) dapat disarikan bahwa misal sebuah molekul harus memiliki laju
setidaknya sebesar vA pada Gambar 2.3 untuk lolos dari permukaan cairan menuju
uap. Jumlah dari molekul tersebut dilambangkan dengan daerah di bawah ekor
kurva. Ketika cairan menguap, molekul dengan kecepatan tinggi yang dapat lepas
dari permukaan.
Gambar 2.3. Kurva Fungsi Distribusi Maxwell-Boltzmann
(Young & Freedman, 2000: 513)
Dari pendapat Soerodikoesoemo (1993: 250) dapat disimpulkan bahwa
keluarnya uap air merupakan proses difusi gas, karena tekanan uap di sebelah
dalam celah lebih tinggi daripada tekanan uap di luar daun. Sebab difusi tersebut,
tekanan uap di dalam daun selalu berkurang dan terjadi penguapan air di dinding
sel parenkim mesofil daun yang berbatasan dengan ruang udara. Selanjutnya
proses ini akan menarik air dari sel sebelah dalam dan seterusnya. Hoang (2013:
9) menyatakan, “Dengan kata lain, transpirasi adalah mekanisme yang
meregangkan air di atas pohon, dan memungkinkan air untuk memanjat pohon.”
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa transpirasi adalah
proses penguapan air melalui makhluk hidup. Hal tersebut sebab suatu molekul air
memiliki kecepatan yang cukup besar untuk melepaskan diri. Transpirasi umum
terjadi di stomata. Proses keluarnya air dalam transpirasi terjadi secara difusi.
C. Fluida
1. Pengertian Fluida
“Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara kontinu (terus-
menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser
tersebut” (Streeter & Wylie, 1999: 3). “Fluida bergerak dan berubah bentuk
secara terus-menerus selama tegangan geser bekerja” (White, 1986: 2).

10
Dengan bahasa awam, fluida memiliki sifat selalu menyesuaikan bentuk
wadah. Serway & Jewett (2009: 638) mengategorikan benda cair dan gas
tergolong dalam fluida.
Sedangkan Halliday, Resnick, & Walker (2010: 387) menerangkan,
“Fluida merupakan kebalikan dari zat padat, adalah zat yang dapat mengalir.
Fluida bersifat demikian karena tidak dapat menahan tegangan geser (shearing
stress).” Menurut Serway & Jewett (2009: 638), “Fluida adalah kumpulan
molekul yang tersusun secara acak dan melekat bersama-sama akibat suatu
gaya kohesi lemah akibat gaya-gaya yang dikerjakan oleh dinding-dinding
wadah.”
Dari pendapat yang disampaikan oleh para ahli di atas, dapat
disimpulkan bahwa fluida merupakan zat yang dapat mengalir. Fluida tidak
dapat menahan tegangan geser sehingga mudah berubah bentuk, tergantung
dari tempat fluida itu berada.
2. Tekanan pada Fluida
Dari penjelasan Giancoli (2001: 326), diketahui bahwa tekanan
didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja
tegak lurus terhadap permukaan A. Gaya yang bekerja pada suatu luasan juga
merupakan AhgmgF  , di mana Ah adalah volume kolom,  adalah
massa jenis zat (dianggap konstan), dan g adalah percepatan gravitasi.
Tekanan, P, dengan demikian adalah:
Tekanan =
Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2
. Satuan ini memiliki nama
resmi pascal (Pa), untuk menghormati Blaise Pascal. Sehingga 1 Pa = 1 N/m2
.
Halliday, et al.(2010: 389) menyatakan bahwa Pascal berkaitan dengan
beberapa satuan tekanan umum lainnya (non-SI) sebagai berikut:
1 atm = 1,01 x 105
Pa = 760 torr = 14,7 lb/in2
(2.1)

11
Menurut Giancoli (2001: 327) persamaan (2.1) dapat digunakan
untuk menentukan perbedaan tekanan P pada ketinggian yang berbeda, di
mana  adalah massa jenis rata-rata:
Konsep tekanan terutama berguna untuk membahas fluida. Fluida
tidak dapat menahan tegangan geser ataupun tegangan tarik. “Gaya yang
dipengaruhi fluida statis pada benda selalu tegak lurus dengan permukaan
benda” (Serway & Jewett, 2009: 638).
Giancoli mengungkapkan, “Dari fakta eksperimental, diketahui
bahwa fluida memberi tekanan ke segala arah” (2001: 326). Hal ini dirasakan
oleh penyelam dan perenang yang merasakan tekanan di seluruh bagian badan
ketika di dalam air ataupun tekanan udara pada dinding dalam ban seperti
yang ditunjukkan Gambar 2.4. Gambar 2.4 (a) menunjukkan bahwa udara di
dalam ban memberi gaya tekan tegak lurus terhadap seluruh permukaan.
Sedangkan Gambar 2.4 (b) menunjukkan tekanan menekan secara tegak lurus
pada seluruh sisi dari tubuh perenang. Panah merepresentasikan arah dan besar
dari gaya yang menekan pada pelbagai titik di permukaan dalam ban dan
tubuh perenang. Perhatikan bahwa gaya di bawah perenang lebih besar. Hal ini
disebabkan posisi bawah yang lebih dalam, memberikan gaya ke atas atau
gaya Buoyant.
Gambar 2.4. (a) Gas Menekan Ban ke Segala Arah
(b) Air Menekan Seluruh Tubuh Perenang
(Giancoli, 2001: 326)
(2.2)
Katup
Gaya Buoyant

12
Dari perasamaan (2.1), diketahui bahwa tekanan vertikal suatu fluida
adalah berat kumulatif dari lapisan fluida di atasnya. Agar permukaan air dapat
menjadi horizontal, dibutuhkan tekanan vertikal yang sama pada setiap titik
permukaan. Gambar 2.5 mengilustrasikan tekanan pada dua titik permukaan
horizontal air saat sedotan menyedot.
Gambar 2.5. Total Tekanan Sama pada Ketinggian
yang Sama (Hoang, 2013: 1)
Giancoli menjelaskan, “Tekanan atmosfer bumi, sebagaimana pada
setiap fluida, berubah terhadap kedalaman” (2001: 328). Atmosfer (atm),
seperti namanya, adalah perkiraan tekanan rata-rata atmosfer pada permukaan
laut.
3. Prinsip Kerja Barometer dan Sedotan
Dari pendapat Giancoli (2001: 331) disimpulkan, “Barometer raksa
dibuat dari sebuah tabung yang diisi penuh dengan raksa dan dibalik ke dalam
semangkuk air raksa. Raksa pada tabung akan turun, menyisakan ruang
hampa.” Hal itu disebabkan tekanan atmosfer hanya dapat menahan satu
kolom raksa dengan tinggi 76cm seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6. Hal ini
dapat dibuktikan dengan persamaan (2.1) dengan  = 13,6 x 103
kg/m3
untuk
air raksa dan h = 76,0 cm:
P = (13,6 x 103
kg/m3
) (9,80 m/s2
) (0,760m)
= 1,013 x 105
N/m2
= 1,00 atm
Tekanan dari udara yang menyedot cairan
(Jika seseorang menyedot sedotan, maka
panah ini menggambarkan tekanan di mulut
dan paru-paru)
Tekanan kolom cairan yang disedot
(Tekanan ini hanya tergantung pada
ketinggian kolom)
Tekanan
atmosfer
Pada
kesetimbangan,

13
Gambar 2.6. Barometer Toricelli (Kumalasari, 2013: 1)
Serway & Jewett (2009: 646) menyatakan, “Ketika tekanan atmosfer
berubah, maka tinggi kolom raksanya juga akan berubah.” Dari pendapat
Halliday, et al. (2010: 392) dapat disimpulkan bahwa tinggi kolom air raksa
bergantung pada nilai g pada lokasi barometer dan pada densitas merkuri, yang
bervariasi pada suhu.” Hal itu dapat dengan mudah disadari, mengingat
besarnya tekanan pada persamaan (2.1) dipengaruhi oleh ketinggian,
percepatan gravitasi, dan massa jenis. Giancoli (2001: 332) kemudian
memberi simpulan,
Perhitungan lain yang hampir sama dengan di atas akan menunjukkan
bahwa tekanan atmosfer dapat menahan satu kolom air yang tingginya
maksimal 10,3 m. Beberapa abad yang lalu, merupakan suatu hal yang
membingungkan bahwa tidak peduli seberapa bagusnya sebuah pompa
vakum, tetap tidak dapat menarik air lebih dari 10 m. Dipecahkan
kemudian oleh Torricelli, bahwa yang menjadi masalah adalah
sebenarnya pompa tidak menyedot air ke atas tabung, melainkan
memperkecil tekanan di bagian atas tabung. Tekanan udara atmosfer
mendorong air ke atas tabung, sama seperti kenyataan bahwa tekanan
udara yang mendorong (atau mempertahankan) ketinggian air raksa 76
cm pada barometer.
Dengan persamaan (2.1), tekanan atmosfer P = 1,013 x 105
N/m2
, dan
massa jenis  = 1 x 103
kg/m3
untuk air, maka dapat dihitung ketinggian
maksimum tekanan atmosfer dapat menahan kolom air:

14
( )( )
Ketinggian maksimum air dapat ditahan tekanan atmosfer juga dapat
dihitung dengan mengacu ilustrasi sedotan pada Gambar 2.7. Perbedaan antara
tekanan udara di mulut (P) dan tekanan atmosfer (Pa) akan menimbulkan gaya
yang membuat air terisap ke atas. Air yang memiliki massa menimbulkan gaya
berat yang berlainan arah. Jika kedua gaya disamakan, maka akan didapat
ketinggian maksimum air ditahan tekanan atmosfer.
Gambar 2.7. Diagram Bebas Gaya pada Sedotan
(Martaon, 2016: 1)
( )
( )
( )
( )
Ftekan atmosfer
Ftekan udara di dalam sedotan
F= (Pa-P)A = Ahρg

15
( )
Ketika seluruh udara telah terisap sehingga menimbulkan tekanan vakum (P =
0), maka:
( )
( )( )
Gedung pencakar langit memanfaatkan prinsip tersebut agar dapat
memompa air ke lantai atas. “Gedung pencakar langit menggunakan sistem
kolom air yang terputus-putus,” (Hoang, 2013: 2) seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 2.6. Dengan pengaturan ini, air pertama bisa tersedot melalui
kolom pertama, lalu dituang di bagian kedua, lalu diisap lagi, dan seterusnya
ke lantai atas.
Gambar 2.8. Sistem Pompa Air Gedung Pencakar Langit
(Hoang, 2013: 2)
Sedangkan untuk menaikkan air pada pohon Harry Cole (pohon kayu
merah pantai di California yang ketinggiannya tercatat setinggi 113,1 meter
pada Juli 1988) dengan persamaan (2.2), air = 1000 kg m-3
, gravitasi 9,80 m
s-2
, maka setidaknya akan dibutuhkan selisih tekanan:
( )( )( )

16
Dari penjelasan di atas, maka dapat disimpulkan bahwa atmosfer
dapat mendorong ketinggian kolom air raksa tidak lebih dari 76 cm dan 10,3
m pada kolom air pada tekanan atmosfer 1 atm. Dari sini jelas bahwa air tidak
didorong ke puncak pohon tinggi (dengan ketinggian lebih dari 10,3 m) oleh
tekanan atmosfer. Terdapat mekanisme lain agar air dapat mencapai puncak
pohon yang tinggi.
D. Perubahan Fasa Zat
1. Tekanan Uap
Proses penguapan seperti pada air di gelas yang berkurang
ketinggiannya atau bensin yang menguap ketika seseorang sedang mengisi di
SPBU dapat dijelaskan dengan teori kinetik. Dari pendapat Giancoli (2001:
475) dapat disarikan bahwa molekul pada zat cair bergerak dengan berbagai
laju yang kira-kira mengikuti distribusi Maxwell, namun hanya molekul yang
mempunyai energi kinetik di atas nilai tertentu yang dapat berubah ke fasa gas.
“Penguapan terjadi karena beberapa molekul cairan di permukaan mempunyai
cukup momentum untuk mengatasi gaya kohesi antarmolekul dan melepaskan
diri ke atmosfer” (Munson, Young, & Okiishi, 2004: 29). Dari pendapat Tipler
(1998: 587) dapat disimpulkan bahwa agar molekul dapat lepas dari
permukaan cairan, energi dibutuhkan untuk mematahkan ikatan molekuler
yang menyebabkan tegangan permukaan. Oleh karena itu, penguapan adalah
proses pendinginan bagi cairan yang ditinggal.
“Tekanan konstan ketika cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya
sendiri pada temperatur tertentu dinamakan tekanan uap” (Tipler, 1998: 398).
“Tekanan uap adalah tekanan dari fasa uap dari bahan saat berada pada
kesetimbangan fasa padat atau cair bahan tersebut” (Young & Freedman,
2000: 526). Dari pendapat Giancoli (2001: 475) dapat disarikan bahwa,
Jika terdapat suatu bejana tertutup yang diisi dengan suatu zat cair dan
udara telah dikeluarkan, maka molekul yang paling cepat akan menguap
pada ruang di atasnya. Hal tersebut terus terjadi sampai dicapai suatu
titik di mana jumlah molekul yang kembali ke cairan (sebab kondensasi)
sama dengan jumlah yang meninggalkan cairan pada selang waktu yang
sama. Terjadi kesetimbangan dan tekanan uap pada kondisi demikian
disebut tekanan uap jenuh (biasa disebut tekanan uap saja).

17
Tipler (1998: 586) menyatakan, “Mula-mula, laju penguapan akan
lebih besar daripada laju pengembunan, dan kerapatan molekul uap akan naik.
Tetapi dengan bertambahnya jumlah molekul uap, laju kondensasi bertambah
sampai nilainya sama dengan laju penguapan dan terjadi kesetimbangan.”
Munson, et al. (2004: 29) menyatakan, “Ketika kondisi kesetimbangan
tercapai sehingga jumlah molekul yang meninggalkan permukaan sama
dengan jumlah yang masuk, uap tersebut dikatakan telah jenuh dan tekanan
yang diberikan uap pada permukaan zat cair disebut sebagai tekanan uap.”
Tabel 2.2. Properti Fisika dari Air (Munson, et al., 2004: 527)
Temperatur
( )
Densitas,
(kg/m3
)
Tegangan
Permukaan,
(N/m)
Tekanan Uap, Pv
(N/m2
)
Kecepatan
Suara, c
(m/s)
0 999,9 7,56 E – 2 6,105 E + 2 1403
5 1000,0 7,49 E – 2 8,722 E + 2 1427
10 999,7 7,42 E – 2 1,228 E + 3 1447
20 998,2 7,28 E – 2 2,338 E + 3 1481
30 995,7 7,12 E – 2 4,243 E + 3 1507
40 992,2 6,96 E – 2 7,376 E + 3 1526
50 988,1 6,79 E – 2 1,233 E + 4 1541
60 983,2 6,62 E – 2 1,992 E + 4 1552
70 977,8 6,44 E – 2 3,116 E + 4 1555
80 971,8 6,26 E – 2 4,734 E + 4 1555
90 965,3 6,08 E – 2 7,010 E + 4 1550
100 958,4 5,89 E – 2 1,013 E + 5 1543
Giancoli (2001: 475) menyatakan, “Tekanan uap bergantung pada
temperatur. Pada temperatur lebih tinggi, lebih banyak molekul yang
mempunyai energi yang cukup untuk melepaskan diri dari permukaan cairan
dan memasuki fasa uap. Berarti kesetimbangan akan dicapai pada tekanan
yang lebih tinggi.” Tabel 2.2 memberikan tekanan uap air yang bersentuhan
dengan udara dan beberapa properti Fisika dari air dalam SI.
Dari pendapat Munson, et al., (2004: 30) disimpulkan bahwa
pendidihan merupakan pembentukan gelembung uap di dalam massa fluida,
dimulai ketika tekanan mutlak di dalam fluida mencapai tekanan uapnya.
Gelembung-gelembung uap yang terbentuk akan pecah jika memasuki daerah

18
bertekanan lebih tinggi. “Bila kesetimbangan terjadi dan cairan sedikit
dipanaskan (atau tekanan dikurangi), maka cairan mendidih” (Tipler, 1998:
585). Giancoli (2001: 476) menyatakan, “Zat cair mendidih ketika tekanan uap
jenuhnya sama dengan tekanan luar.”
Dari pendapat Tipler (1998: 587) dapat disarikan bahwa pada
pendidihan, gelembung uap harus mempunyai cukup tekanan untuk
mendorong cairan melawan tekanan di bagian atas cairan (biasanya tekanan
atmosfer) ditambah tekanan yang disebabkan cairan di atas gelembung. Dari
pendapat Munson, et al. (2004: 146) dapat disimpulkan bahwa,
Pada fluida yang sedang mengalir, jika kecepatan sangat besar,
perbedaan tekanan juga sangat besar. Pada aliran gas, hal ini dapat
menimbulkan efek-efek kemampumampatan. Sedangkan pada aliran zat
cair, hal ini dapat menyebabkan kavitasi (suatu situasi yang terjadi
apabila tekanan zat cair berkurang sampai tekanan uapnya dan zat cair
tersebut akan mendidih).
Dari pendapat Tipler (1998: 587) dapat disarikan bahwa pendidihan
juga dapat terjadi tanpa penambahan panas, yaitu dengan mengeluarkan udara
di atasnya sehingga menurunkan tekanan yang diberikan. Energi yang
dibutuhkan untuk penguapan kemudian diambil dari cairan yang tertinggal.
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa tekanan uap adalah
tekanan dari uap ketika cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya sendiri
pada temperatur tertentu. Suhu yang semakin tinggi akan membuat tekanan
uap semakin besar. Cairan mendidih ketika tekanan dalam cairan telah
mencapai tekanan uap yang sama dengan tekanan luar, yang bisa dicapai
dengan menaikkan temperatur atau mengurangi tekanan. Gelembung uap akan
pecah jika mencapai daerah dengan tekanan yang lebih tinggi.
2. Diagram Fasa
“Perubahan dari satu fasa ke fasa lain umumnya berlangsung pada
kondisi kesetimbangan fasa antara dua fasa, dan untuk tekanan tertentu hanya
terjadi pada suhu tertentu” (Young & Freedman, 2000: 515). “Jika suhu
diturunkan atau tekanan dinaikkan, tiap zat akan berubah dari fase gas menjadi
fase cair atau fase padat” (Sears & Zemansky, 1994: 412). Dengan kata lain,

19
jika suhu dinaikkan atau tekanan diturunkan, maka zat dengan fasa cair dapat
berubah menjadi fase gas atau fase padat. Kondisi ini dapat digambarkan pada
sebuah grafik dengan sumbu P dan T, yang disebut dengan diagram fase
seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9. “Bagian diagram antara titik O dan C
menunjukkan tekanan uap terhadap temperatur” (Tipler, 1998: 586).
Gambar 2.9. Diagram Fasa untuk Air
(Tipler, 1998: 586)
Dari pendapat Young & Freedman (2000: 515) dapat disarikan bahwa
hanya sebuah fasa tunggal dapat terbentuk pada setiap titik, kecuali untuk titik-
titik di garis tebal. Dua fasa dapat terbentuk dalam kesetimbangan fasa.
“Perpotongan ketiga kurva (Gambar 2.9) disebut titik tripel, dan hanya pada
titik ini ketiga fase bisa ada bersama dalam kesetimbangan” (Giancoli, 2001:
473). Dari pendapat Tipler (1998: 586) dapat disimpulkan bahwa,
Pada temperatur dan tekanan di bawah titik tripel, cairan tidak bisa
terwujud. Kurva OA pada Gambar 2.9 adalah kedudukan tekanan dan
temperatur dengan padatan dan uap bersama-sama dalam kesetimbangan.
Perubahan langsung dari padatan menjadi uap dinamakan sublimasi.
Kurva OB adalah kurva pelelehan yang memisahkan fasa cairan dan
padatan. Untuk bahan seperti air yang temperatur pelelehannya turun bila
tekanan naik, kurva OB miring ke arah kiri seperti pada Gambar 2.9.
Sedangkan kebanyakan bahan lain, temperatur leleh naik bila tekanan
naik, dan kurva OB bahan seperti ini akan miring ke arah kanan.
Titik akhir pada puncak kurva penguapan disebut titik kritis, dan nilai
P dan T yang berkaitan disebut dengan tekanan dan suhu kritis, Pc dan Tc. Dari
pendapat Young & Freedman (2000: 516) dapat disimpulkan bahwa sebuah

20
gas pada tekanan di atas Tc tidak terpisah menjadi dua fasa jika didinginkan.
Sebaliknya, sifat gas berubah secara bertahap dari sifat gas (densitas rendah,
kompresibilitas besar) menjadi sifat cairan (kerapatan besar, kompresibilitas
kecil) tanpa perubahan fasa.
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa diagram fasa adalah
grafik dengan sumbu P dan T yang menggambarkan perubahan dari satu fasa
ke fasa lain. Perubahan fasa umumnya berlangsung pada kondisi
kesetimbangan fasa antara dua fasa, dan untuk tekanan tertentu hanya terjadi
pada suhu tertentu. Pada diagram fasa, kesetimbangan fasa diwakilkan dengan
garis pembatas antara dua fasa. Perpotongan ketiga kurva disebut titik tripel,
dan hanya pada titik ini ketiga fase bisa ada bersama dalam kesetimbangan.
Dari diagram fasa diketahui bahwa jika suhu dinaikkan atau tekanan
diturunkan, maka zat dengan fasa cair dapat berubah menjadi fase gas atau
fase padat.
E. Air
Dari pendapat Campbell (2002: 40) dapat disimpulkan bahwa air adalah
medium biologis di Bumi. Kehidupan di Bumi diawali di air dan selama 3 miliar
tahun berkembang di air sebelum berkembang ke daratan. Air adalah satu-satunya
substansi yang ditemukan di alam dalam tiga wujud fisik materi: padat, cair, dan
gas. Irwan (2010: 80) mengungkapkan, “Sebagian besar air di bumi terikat secara
kimia dengan mineral yang berasal dari litosfer primer dan depositif sedimenter.”
Air berperan penting dalam kehidupan, termasuk bagi pohon. Dari pendapat Nobel
(2009: 45) dapat disarikan bahwa air adalah penyusun pokok dari sel tumbuhan,
baik di vakuola maupun dinding sel. Dari pendapat Kramer (1969: 3) dapat
disimpulkan bahwa hampir setiap proses pada tanaman dipengaruhi oleh suplai
air, baik secara langsung maupun tidak.
Air adalah senyawa yang terdiri dari dua unsur hidrogen dan sebuah
unsur oksigen, dengan rumus kimia H2O. Dari pendapat Nobel (2009: 47), dapat
disarikan bahwa dari Gambar 2.10 dapat dilihat, meskipun jumlah atom hidrogen
menurun (CH4 > NH3 > H2O > HF > Ne), namun titik lebur dan titik didik

21
tertinggi dimiliki oleh air. Hal ini berarti penambahan panas tidak sebegitu
mudahnya untuk dapat memisahkan ikatan kuat antara molekul air.
Gambar 2.10. Titik Didih dan Titik Lebur Beberapa Molekul
(Nobel, 2009: 47)
Berdasarkan pendapat Kramer (1969: 7) dan Budiastuti (2010: 28-29),
dapat disimpulkan bahwa ciri khas yang dimiliki oleh air adalah:
1. Air memiliki kalor uap dan kalor lebur tertinggi dari semua zat kecuali amonia
cair yang 13 % lebih tinggi daripada air
2. Air hampir transparan, sehingga cahaya dapat menembus
3. Air memiliki tegangan permukaan dan viskositas yang tinggi dibandingkan
dengan umumnya fluida, namun tetap mudah mengalir, dipompa, dan
sebagainya
4. Air memiliki densitas tertinggi pada suhu 4, bukan pada titik bekunya
5. Air memuai saat membeku, sehingga es memiliki volume sekitar 10% lebih
besar daripada air
6. Penghantar listrik dan pelarut yang baik
7. Secara kimiawi memiliki rumus H2O yang berarti letak kedua atom H menyisi
pada atom O (di-pol), sehingga aktif dalam reaksi-reaksi kimiawi
8. Mampu menyimpan panas dengan baik (menjaga suhu)

22
Berikut akan dijelaskan lebih lanjut mengenai beberapa sifat fisis air yang
secara nyata berhubungan dengan proses pengangkutan air dalam pohon.
1. Ikatan Hidrogen
Salisbury & Ross (1995: 27) menyatakan, “Sebagian besar sifat unik
air berasal dari kenyataan menarik bahwa potongan garis yang
menghubungkan pusat atom hidrogen dengan pusat atom oksigen tidaklah
membentuk garis lurus.” Dari pendapat Nobel (2009: 47) dapat disarikan
bahwa jarak antara atom oksigen dan masing-masing atom hidrogen adalah
0,099 nm, dan sudut ikatan HOH adalah 105, seperti ditunjukkan Gambar
2.11. Disimpulkan kembali dari Salisbury & Ross (1995: 27) bahwa kedua
elektron yang membentuk ikatan kovalen antara atom hidrogen dan atom
oksigen biasanya lebih dekat ke inti oksigen, meninggalkan kedua inti
hidrogen (proton) di satu sisi permukaan atom oksigen. Hal ini menimbulkan
muatan agak positif pada satu sisi molekul tersebut dan muatan negatif di sisi
yang lain. Nobel (2009: 47) menyatakan, “Kedua hidrogen bermuatan positif
secara elektrostatis tertarik pada oksigen dua molekul tetangga yang
bermuatan negatif. Hal ini menimbulkan ikatan hidrogen antara molekul air.”
Gambar 2.11. Struktur Skematik Molekul Air
(Nobel, 2009: 48)
Chang (2004: 372) menyatakan, “Ikatan hidrogen adalah jenis khusus
interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan polar, seperti N–H, O–
H, atau F–H, dengan atom elektronegatif O, N, atau F.” Dari pendapat Petrucci
(1987: 24) dapat disarikan bahwa ikatan hidrogen adalah gaya intermolekul

23
yang memiliki energi sebesar 15 sampai 40 kJ/mol. Gambar 2.12
menunjukkan ilustrasi ikatan hidrogen. Lebih lanjut, Keenan, Kleinfelter, &
Wood (1984: 295) mengungkapkan bahwa,
Ikatan hidrogen adalah tarikan antarmolekul yang luar biasa kuatnya,
dapat terjadi jika satu molekul mempunyai sebuah atom hidrogen yang
terikat pada sebuah atom berelektronegativitas tinggi yang mempunyai
sepasang elektron menyendiri. Inti hidrogen, yakni proton, ditarik oleh
pasangan elektron yang berdekatan.
Gambar 2.12. (a) Satu Molekul Air Berikatan dengan
Empat Molekul Air (b) Struktur Kristal Es
(Petrucci, 1987: 24)
Petrucci (1987: 24) menyatakan, “Salah satu zat yang membentuk
ikatan hidrogen adalah air. Gambar 2.12 menggambarkan ilustrasi satu
molekul air dipegang oleh empat molekul di dekatnya melalui ikatan hidrogen,
membentuk susunan tetrahedral pada fase padat (es).” Dari pendapat Chang
(2004: 376-377) dapat disimpulkan bahwa yang membuat ikatan hidrogen air
berbeda dengan NH3 dan HF adalah setiap atom oksigen dapat membentuk dua
ikatan hidrogen. Molekul-molekul NH3 dan HF dapat membentuk cincin atau
rantai, namun tidak struktur tiga dimensi seperti air.
Struktur 3 dimensi es yang sangat teratur (seperti ditunjukkan
Gambar 2.12.b) mencegah molekul-molekul untuk terlalu dekat satu sama lain.
Ini adalah perilaku yang luar biasa bagi suatu zat. Petrucci (1987: 25)
mengungkapkan, “Jika air dipanaskan sampai sedikit di atas titik lelehnya,
kerapatannya terus meningkat.” Dari pendapat Chang (2004: 377) dapat
disimpulkan bahwa hal ini terjadi sebab pada titik leleh, sejumlah molekul air

24
memiliki cukup energi kinetik untuk membebaskan diri dari ikatan hidrogen,
namun molekul-molekul ini justru terperangkap dalam rongga-rongga struktur
tiga dimensi, yang terpecah-pecah menjadi kumpulan-kumpulan yang lebih
kecil. Hal ini diilustrasikan pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13. Struktur Molekul Air pada:
(a) Padat, (b) Cair, dan (c) Gas
(UCSB ScienceLine, 2013: 1)
Dari penjelasan UCSB ScienceLine (2013: 1) dapat disimpulkan
bahwa saat air memasuki fase cair, tiap molekul air hanya dapat membentuk
ikatan hidrogen dengan 3 molekul air lain sehingga tersusun lebih acak.
Alhasil, dengan 3 ikatan hidrogen per molekul, molekul air dapat lebih rekat
dan massa jenis air meningkat.
Petrucci (1987: 25) menyatakan, “Jika air dipanaskan sampai sedikit
di atas titik lelehnya, kerapatannya terus meningkat. Air mencapai kerapatan
maksimum pada 3,98C. Di atas titik ini, air berperilaku seperti biasa.” Chang
(2004: 378) menyatakan, “Air akan memuai akibat pemanasan, yang
menghasilkan penurunan kerapatan. Dari 0C hingga 4C, penjebakan yang
lebih dominan, sehingga air lebih rapat. Tetapi di atas 4C, pemuaian termal
mendominasi dan kerapatan air turun dengan naiknya suhu.” Dari pendapat
penjelasan Campbell (2002: 44) bahwa ikatan hidrogen mempertahankan
molekul cukup jauh untuk membuat es berkurang kepadatannya 10 %
(molekulnya berkurang 10 dalam volume yang sama) dibandingkan air
dalam wujud cair pada suhu 4C.

25
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa ikatan hidrogen
adalah jenis khusus interaksi dipol-dipol antara atom hidrogen dalam ikatan
polar dengan atom elektronegatif O, N, atau F. Ikatan hidrogen ditemukan
pada molekul air, yang membuat air berperilaku unik dibanding cairan lainnya.
2. Tegangan Permukaan
“Sejumlah observasi umum menunjukkan bahwa permukaan zat cair
berperilaku seperti membran yang teregang karena tegangan” (Giancoli, 2001:
350). Young & Freedman (2000: 431) menyebutkan, “Penjepit kertas dapat
diam di atas permukaan air meskipun memiliki densitas beberapa kali densitas
air.” Sears & Zemansky (1994: 312) pun mengatakan, “Keluarnya cairan
perlahan-lahan dari penetes obat (bukan seperti arus yang tidak putus-putus).
Efek ini disebut dengan sebagai tegangan permukaan.”
Dari pendapat Tipler (1998: 398) dapat disarikan bahwa di bagian
dalam cairan, sebuah molekul dikelilingi molekul-molekul lainnya, tetapi di
permukaannya, tidak ada molekul sejenis di atas molekul-molekul permukaan.
“Hal ini menimbulkan molekul-molekul di permukaan mengalami gaya netto
yang mengarah ke dalam” (Munson, et al., 2004: 30). Dari pendapat Young &
Freedman (2000: 431-432) dapat disimpulkan bahwa hal tersebut menjadikan
cairan cenderung memperkecil luas permukaannya. Tetes air hujan yang jatuh
bebas berbentuk bola (tidak berbentuk tetesan air mata) karena bentuk bola
memiliki luas permukaan yang lebih kecil dibandingkan dengan bentuk lain.
Dari pendapat Giancoli (2001: 350) dapat disimpulkan bahwa
tegangan permukaan ( ) didefinisikan sebagai gaya F per satuan panjang L
yang bekerja melintasi semua garis pada permukaan, dengan kecenderungan
menarik permukaan agar tertutup:
Karena selaput mempunyai dua permukaan, total panjang permukaan
di mana gaya permukaan bekerja adalah ialah 2L:
(2.3)

26
Tegangan permukaan adalah gaya per satuan panjang. Satuannya
dalam SI adalah newton per meter (N/m). “Tegangan permukaan air adalah
sekitar 0,072 pada suhu 20C. Temperatur mempunyai efek yang besar pada
tegangan permukaan “ (Giancoli, 2001: 350). Young & Freedman (2000: 433)
menyatakan, “Suhu berhubungan dengan energi gerak molekul dalam bahan.
Saat suhu bertambah dan molekul cairan bergerak lebih cepat, pengaruh
interaksi antarmolekul akan berkurang pada gerakannya dan tegangan
permukaan akan berkurang.”
Berdasarkan pendapat Giancoli (2001: 351) dapat disimpulkan bahwa
agar permukaan cairan naik, diperlukan usaha. Usaha ini menaikkan energi
potensial molekul dan kadang kala disebut sebagai energi permukaan. Lebih
luas permukaan, lebih besar energi permukaan:
dengan adalah perubahan jarak dan (= L ) adalah kenaikan total.
Karena itu, dapat ditulis:
sehingga, dapat dispesifikasi dalam N/m atau J/m2
.
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa tegangan
permukaan adalah fenomena yang dijumpai pada permukaan zat cair yang
berperilaku seperti membran yang teregang karena tegangan. Adanya tegangan
permukaan disebabkan di bagian dalam cairan, sebuah molekul dikelilingi
molekul-molekul lainnya, tetapi di permukaannya, tidak ada molekul sejenis di
atas molekul-molekul permukaan. Akhirnya permukaan cairan tertarik ke arah
dalam.
3. Kapilaritas
Dari pendapat Giancoli (2001: 353) dapat disarikan bahwa pada
tabung dengan diameter yang sangat kecil, zat cair tampak naik atau tampak
turun relatif terhadap tingkat zat cair yang mengelilinginya. Tegangan

27
permukaanlah yang memainkan peranan penting pada fenomena kapilaritas.
Young & Freedman (2000: 434) menyatakan, “Ketika bidang batas cairan-gas
bertemu dengan permukaan padat (misal dinding bejana), permukaan gas-
cairan umumnya membentuk lengkungan ke atas atau ke bawah di dekat
permukaan padat. Sudut  yang dibentuk lengkungan itu disebut sudut
kontak,” yang ditunjukkan pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14. Ilustrasi Sudut Kontak Air dan
Merkuri terhadap Kaca
(Education of Science, 2017: 1)
Dari pendapat Tipler (1998: 399) dapat disimpulkan, “Gaya tarik
menarik antara sebuah molekul dengan molekul-molekul lain dalam cairan
dinamakan gaya kohesi. Gaya antara sebuah molekul cairan dengan bahan
lain, seperti dinding bejana, dinamakan gaya adhesi.” Dari pendapat Young &
Freedman (2000: 434) bahwa ketika kohesi molekul-molekul cairan kalah kuat
dibandingkan dengan permukaan padat, cairan akan membahasahi atau
melekat pada permukaan padat. Bidang batas cairan-gas akan membentuk
kurva yang melengkung ke atas dan memiliki sudut  kurang dari 90. Jika
terjadi hal sebaliknya, maka sudut  akan lebih dari 90.
Tipler (1998: 399) menyatakan,
Bila permukaan cairan konkaf ke atas, tegangan permukaan pada
dinding pipa mempunyai komponen ke atas seperti ditunjukkan pada
Gambar 2.15. Cairan akan naik dalam pipa sampai gaya ke atas neto
padanya yang disebabkan tegangan permukaan diimbangi berat cairan.
Kenaikan ini dinamakan gerakan kapiler.
Dari pendapat Young & Freedman (2000: 434) dapat disarikan bahwa
kurva permukaan cairan disebut meniskus. Kurva cairan yang tidak
membasahi dinding seperti raksa akan membentuk meniskus ke bawah dan
permukaan ditekan ke bawah oleh gaya tegangan permukaan.

28
Gambar 2.15. Komponen Gaya pada Kapilaritas
(Chemistry Stack Exchange, 2015: 1)
Pada Gambar 2.15, cairan telah naik sampai ketinggian h dalam suatu
pipa kapiler tipis berjari-jari r. Pipa terbuka dengan tekanan atmosfer di ujung
atasnya. Gaya yang menahan cairan di atas adalah komponen vertikal
tegangan permukaan (F cos ). Karena panjang permukaan kontak adalah 2 r,
gaya vertikal ini adalah . Jika permukaan yang sedikit melengkung
diabaikan, maka volume cairan adalah . Dengan mengambil gaya ke atas
neto sama dengan berat, didapatkan:
( )
atau
Dengan persamaan (2.4), dapat dihitung kapilaritas pada xilem.
Menurut pendapat Nobel (2009: 53), dapat disimpulkan bahwa dengan
pendekatan massa jenis air pada suhu 20C adalah 998 kg m-3
, percepatan
gravitasi 9,80 m s-2
, tegangan permukaan air pada suhu 20C adalah 0,0728 N
m-1
, dan jari-jari xilem 20 m, maka:
(2.4)

29
( )( )( )
( )( )( )
Kapilaritas dengan ketinggian di atas dapat menaikkan air ke puncak
tanaman yang kecil. Namun untuk mencapai puncak pohon dengan tinggi 30
m dengan kapilaritas, dibutuhkan xilem dengan pembuluh dengan jari-jari 0,5
m. Dari pendapat dari Nobel (2009: 53) dapat disasrikan bahwa pembuluh
xilem diketahui tidak sekecil itu, sehingga kapilaritas tidak dapat
diperhitungkan sebagai cara pengangkutan air di pohon tinggi. Ujung xilem
pun tidak terbuka langsung dengan udara, sehingga hal ini tidak analogi.
Dari penjelasan di atas, disimpulkan bahwa kapilaritas tidak mampu
mendorong air lebih dari 1 meter karena tabung xilem berukuran terlalu besar,
yaitu sekitar 20 sampai 200 mikrometer. Xilem pun tidak berbatasan langsung
dengan udara, melainkan dengan sel-sel mesofil daun.
F. Tegangan
“Jika sebuah benda padat berada dalam keadaan setimbang tetapi
dipengaruhi gaya-gaya yang berusaha menarik, menggeser, atau menekannya,
maka bentuk benda itu akan berubah” (Tipler, 1998: 386). Perubahan bentuk pada
benda disebut deformasi.
Perilaku elastisitas salah satunya terjadi saat penarikan suatu batang.
Gambar 2.16 menunjukkan sebuah batang yang pada masing-masing ujungnya
mengalami gaya tarik F yang sama besarnya dan arahnya berlawanan. Menurut
Sears & Zemansky (1994: 251) mengungkapkan, “Benda tesebut dalam keadaan
tertegang”. Karena masing-masing potongan batang dalam kesetimbangan, maka
potongan di sebelah kanan irisan 4mengerjakan tarikan terhadap potongan di
sebelah kiri dengan gaya F, dan sebaliknya. Asalkan irisan tersebut tidak terlalu
dekat dengan ujung batang, maka menurut Tipler (1998: 386), “Gaya-gaya
tersebut akan terdistribusi secara uniform pada luas penampang batang.” Hal
tersebut digambarkan dengan beberapa anak panah pendek dalam Gambar 2.16
(b). Tegangan di tempat irisan tersebut didefinisikan sebagai perbandingan besar
gaya F terhadap luas bidang penampang bidang A.
Tegangan =

30
Gambar 2.16. (a) Batang yang Tegang, (b) Tegangan pada Irisan
Tegak Lurus , (c) dan (d) Tegangan di Irisan Miring
(Sears & Zemansky, 1994: 251)
Sears & Zemansky (1994: 252) mengungkapkan, “Tegangan semacam ini
disebut tegangan akibat tarikan, karena kedua potongan batang itu saling
melakukan tarikan satu sama lain. Tegangan itu merupakan pula tegangan normal,
sebab gaya terdistribusi tegak lurus pada luas.” Satuan SI untuk tegangan adalah
pascal (disingkat Pa). Satu pascal sama dengan satu newton per meter kuadrat
(N/m2
). Dari pendapat Young & Freedman (2000: 335-336) dapat disimpulkan
bahwa satuan tegangan sama dengan satuan tekanan. Dalam sistem satuan
Inggris, satuan untuk tegangan adalah pound per square foot tetapi lebih sering
digunakan pound per square inch (lb/in2
atau psi). Faktor konversinya yaitu:
1 psi = 6895 Pa dan 1 Pa = 1,450 x 10-4
psi
Selanjutnya ditinjau sebuah irisan yang arahnya dibuat sekehendak,
seperti dalam Gambar 2.16 (c). Gaya resultan yang dikerjakan terhadap potongan
yang satu oleh potongan yang satu lagi dan sebaliknya sama besarnya dan
berlawanan arah dengan gaya F di ujung irisan. Tetapi gaya tersebut sekarang
terdistribusi pada bidang A’ yang lebih luas dan arahnya tidak tegak lurus pada
bidang. Bila resultan seluruh gaya yang tedistribusi itu dinyatakan dengan satu
vektor yang besarnya F, seperti dalam Gambar 2.16 (d), vektor ini dapat diuraikan
menjadi komponen Fn yang normal terhadap bidang A’ dan komponen F1 yang
tangen terhadapnya. Tegangan normal didefinisikan sebagai perbandingan

31
komponen Fn terhadap bidang A’. Perbandingan komponen F1 terhadap bidang A’
disebut tegangan tangensial pada irisan.
Tegangan normal = ,
Tegangan tangensial (luncur) = .
Dari pendapat Young & Freedman (2000: 336) dapat disimpulkan bahwa
perubahan panjang (perpanjangan) dari sebuah benda yang mengalami tegangan
tarik disebut regangan tarik. Setiap bagian batang akan memanjang dengan
perbandingan yang sama. Regangan tarik didefinisikan sebagai berikut:
Regangan tarik = = .
Gambar 2.17. Gaya Geser Diberikan pada Buku
(Tipler, 1998: 388)
Beberapa referensi lain menyebut tegangan tangensial (luncur) sebagai
tegangan geser. Dari pendapat Young & Freedman (2000: 340) bahwa tegangan
geser didefinisikan sebagai gaya F yang menyinggung permukaan bahan, dibagi
dengan luas permukaan A tempat gaya itu beraksi. “Jika sebuah benda awalnya
adalah kubus, maka tegangan geser akan menghasilkan bentuk yang penampang
silangnya akan berupa sebuah jajar genjang” (Serway & Jewett, 2009: 567). Pada
Gambar 2.17 tegangan geser berusaha mengubah bentuk buku dan rasio X/L
dinamakan regangan geser:
Regangan geser = =
dengan adalah sudut geser yang ditunjukkan pada Gambar 2.17. Dari pendapat
Tipler (1998: 389) dapat disimpulkan bahwa rasio tegangan geser terhadap
regangan geser dinamakan modulus geser S atau disebut modulus torsi.

32
S = =
Gambar 2.18. Grafik Tegangan Terhadap Regangan
(Tipler, 1998: 386)
Gambar 2.18 menunjukkan grafik regangan versus tegangan untuk batang
padat biasa. Grafik tersebut linear sampai titik A. Tipler (1998: 386)
mengungkapan, “Hasil bahwa regangan berubah secara linear dengan tegangan
dikenal sebagai Hukum Hooke.” Titik B adalah batas elastik bahan. Jika batang
ditarik melampaui titik ini, batang tidak akan kembali ke panjangnya semula,
tetapi berubah secara tetap. Jika tegangan yang lebih besar diberikan, bahan
akhirnya patah, seperti ditunjukkan di titik C. Rasio tegangan terhadap regangan
dalam daerah linear grafik adalah konstanta yang dinamakan Modulus Young Y:
Y = = .
“Modulus Young pada umumnya diguanakan untuk menentukan karakter
sebuahh batang atau seutas kabel yang ditekan dalam tegangan ataupun tekanan.
Perhatikan karena regangan adalah nilai tidak berdimensi, Y memiliki gaya satuan
per luas” (Serway & Jewett, 2009: 567).
“Jika sebuah batang dipengaruhi gaya-gaya yang berusaha menekan alih-
alih menarik, tegangan dinamakan tegangan tekan. Pada kebanyakan bahan (tidak
semua), modulus Young untuk tegangan tekan sama dengan modulus tegangan
tarik jika pada persamaan (2.5) diambil sebagai pengurangan panjang batang”
(Tipler, 1998: 388). “Regangan tekan dari sebuah batang yang mengalami
penekanan didefinisikan dengan cara yang sama seperti mendefinisikan regangan
tarik, tetapi memiliki arah yang berlawanan” (Young & Freedman, 2000: 337).
0
(2.5)

33
“Tegangan, tidak seperti gaya, bukanlah besaran vektor, karena tidak ada
arah tertentu. Gaya yang bekerja terhadap potongan benda di sisi tertentu suatu
irisan ada yang mempunyai arah tertentu. Tegangan termasuk salah satu besaran
fisika yang disebut tensor”(Sears & Zemansky, 1994: 252). “Tegangan bukanlah
vektor karena tidak dapat dijumlahkan dengan aturan jajaran genjang. Sebenarnya
tegangan merupakan besaran yang lebih rumit daripada vektor dan dalam
matematika disebut tensor. Besaran tensor lainnya adalah regangan dan momen
inersia” (Setiawan, 2014: 4).
Gambar 2.19. Elemen Tensor Tegangan Bidang xy
(Setiawan, 2014: 4)
Tensor ialah besaran fisik yang keadaannya pada suatu titik dalam ruang,
tiga dimensi, dapat dideskripsikan dengan 3n komponennya, dengan n adalah
derajat tensor tersebut. Tegangan merupakan tensor derajat dua, sedangkan vektor,
vektor apapun, merupakan tensor derajat satu. Besaran skalar merupakan tensor
derajat nol. Dengan demikian, untuk persoalan tegangan tiga dimensi pada suatu
titik dalam ruang dapat dideskripsikan dengan 32
komponennya. Pada sistem
koordinat sumbu silang, tegangan tersebut adalah σx, σy, σz, τxy, τyx, τxz, τzx, τyz,
dan τzy seperti ditunjukkanpada Gambar 2.19. “Bila bahan berada dalam keadaan
tegangan bidang dalam bidang xy, maka hanya muka x dan y dari elemen yang
mengalami tegangan, muka z tidak bertegangan dan sumbu z adalah normal
permukaan tersebut” (Setiawan, 2014: 4). Berikut poin-poin singkat mengenai
tegangan bidang yang dikutip dari Setiawan (2014: 5-6):
1. Tegangan Normal
a. Tegangan normal σ, mempunyai subskrip yang menunjukkan muka di
mana tegangan normal tersebut bekerja

34
b. Tegangan yang bekerja di muka x dari elemen dinotasikan σx
c. Tegangan normal yang sama bekerja di muka yang berlawanan
2. Tegangan Geser
a. Tegangan geser τ, memiliki dua subskrip, subskrip pertama menunjukkan
muka di mana tegangan bekerja, subskrip kedua menunjukkan arah di
muka tersebut
b. Tegangan τxy bekerja di muka x dalam arah sumbu y
c. Tegangan τyx bekerja di muka y dalam arah sumbu x
3. Perjanjian Tanda
a. Tegangan normal bernilai positif untuk tegangan tarik, dan bernilai negatif
untuk tegangan tekan
b. Tegangan geser bernilai positif apabila bekerja di muka positif dalam arah
positif, atau bekerja di muka negatif dalam arah negatif. Sedangkan
tegangan geser bernilai negatif apabila bekerja dalam muka dan arah yang
tidak bertanda sama
c. Agar memudahkan penggambaran elemen tegangan bidang, biasanya
cukup digambarkan dalam bentuk dua dimensi, seperti pada Gambar 2.20.
Gambar 2.20. Penyederhanaan Ilustrasi Tegangan Bidang
(Setiawan, 2014: 6)
Dari pendapat Welty, et al. (2004: 4) dapat disimpulkan, “Pada fluida
statis, tegangan normal di sebuah titik dapat ditentukan dari aplikasi hukum-
hukum Newton. Perlu diingat bahwa tidak ada tegangan geser pada fluida yang
statik.” Sehingga gaya-gaya permukaan yang ada hanyalah gaya-gaya yang
diakibatkan oleh tegangan normal seperti pada Gambar 2.21.

35
Gambar 2.21. Elemen di Dalam Fluida Statik
(Welty, et al., 2004: 4)
Pada benda diam, ΣF = 0. Dalam arah x
Karena , persamaan (2.6) menjadi
Dengan membagi persamaan (2.7) dengan dan kemudian
mengambil limit pada saat volume elemen mendekati nol, diperoleh
[ ]
Dengan mengingat bahwa tegangan normal bersifat positif pada kondisi tarik
(tension), maka dengan menghitung persamaan (2.8), didapatkan
Dalam arah y, dengan menerapkan ΣF = 0 dihasilkan
Karena , didapatkan
Dengan membagi persamaan (2.10) dengan dan mengambil limit seperti
sebelumnya, diperoleh
[ ]
yang menjadi
(2.6)
(2.8)
(2.10)
(2.9)
(2.7)

36
( )
atau
Karena sudut tidak muncul di persamaan (2.9) atau (2.11), sehingga
tegangan normal di sebuah titik di dalam fluida statik tidak tergantung pada arah,
dan karena itu merupakan kuantitas skalar. Dari pendapat Welty, et al. (2004: 5)
dapat disimpulka bahwa
Karena elemennya diam, maka gaya-gaya permukaa yang bekerja hanya
gaya-gaya yang disebabkan oleh tegangan normalnya. Seandainya gaya per
satuan luas yang bekerja pada elemen diukur, maka akan didapat bahwa
gaya itu bekerja ke arah dalam atau menyebabkan elemen terkompresi.
Kuantitas yang diukur tersebut adalah tekanan, yang dari sudut pandang
pengembangan sebelum ini, merupakan negatif dari tegangan normalnya.
Penyederhanaan penting ini, reduksi tegangan, suatu tensor, menjadi
tekanan, suatu skalar, juga dapat ditunjukkan pada kasus nol tegangan geser
di dalam fluida yang mengalir. Ketika tegangan-tegangan geser hadir, maka
komponen-komponen tegangan normal di sebuah titik mungkin saja tidak
sama. Namun demikian, tekanannya tetap sama dengan tegangan normal
rata-rata. Artinya
( )
dengan perkecualian yang sangat sedikit, salah satunya adalah aliran pada
gelombang-gelombang kejut (shock waves).
Munson, Young, & Okiishi (2004: 371) menyatakan bahwa untuk fluida-
fluida yang di dalamnya tidak terdapat tegangan geser, tegangan normal pada
sebuah titik tidak tergantung pada arah –artinya . Dalam hal
ini, tekanan p didefinisikan sebagai negatif dari tegangan normal sehingga
.
Tanda negatif digunakan sehingga sebuah tegangan normal menekan (seperti apa
yang diperkirakan dalam sebuah fluida) akan memberi nilai positif untuk p.
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa sebuah benda padat
yang berada dalam keadaan setimbang tetapi dipengaruhi gaya-gaya yang
berusaha menarik, menggeser, atau menekannya, maka benda tersebut mengalami
tegangan. Menurut jenis pembebanan yang diberikan, tegangan diklasifikasikan
menjadi tegangan tarik, tegangan geser, dan tegangan tekan. Tegangan termasuk
(2.11)

37
salah satu besaran fisika yang disebut tensor. Pada sistem koordinat sumbu silang,
tegangan memiliki elemen σx, σy, σz, τxy, τyx, τxz, τzx, τyz, dan τzy. Dari persamaan
yang telah diturunkan, diketahui bahwa pada fluida statik, tegangan geser tidak
ada dan tegangan normal sama dengan tekanan negatif. Ketika tegangan-tegangan
geser hadir, maka komponen-komponen tegangan normal di sebuah titik mungkin
saja tidak sama. Namun demikian, tekanannya tetap sama dengan tegangan normal
rata-rata.
G. Teori Tegangan Kohesi
1. Teori Tegangan Kohesi
Mengalirkan air ke puncak pohon Harry Cole membutuhkan selisih
tekanan 1,1 MPa atau 10,9 atm seperti yang telah dihitung di awal. “Jelas
bahwa air tidak didorong ke puncak pohon tinggi oleh tekanan atmosfer
semata (yang kira-kira besarnya hanya 0,1 MPa). Hal tersebut belum termasuk
tahanan dalam jalur air pada xilem” (Salisbury & Ross, 1995: 103). Perbedaan
1,1 MPa bukan merupakan tekanan yang kecil. Dari pendapat Hoang (2013: 3)
dapat disimpulkan bahwa tekanan sebesar itu sangat berbahaya. Sebagai
gantinya, Teori Tegangan Kohesi mengusulkan bahwa pohon meninggalkan
tekanan di permukaan tanah pada tekanan atmosfir dan menciptakan tekanan
negatif pada tabung xilem.
Salisbury & Ross (1995: 49) berpendapat, “Naiknya tekanan
menghasilkan tekanan positif, dan tegangan (tarikan; lawan dari tekanan)
menghasilkan tekanan negatif.” Dari pendapat Young & Freedman (2000:
434-435) dapat disarikan bahwa tekanan dalam cairan umumnya bersifat
menekan, tetapi dalam beberapa keadaan, cairan dapat menahan tegangan
tarik. Tekanan negatif dipercaya merupakan mekanisme penting untuk
perjalanan air dalam tabung xilem yang kecil pada pohon. Salisbury & Ross
(1995: 49) pun menyatakan, “Tekanan biasanya bernilai positif pada sel hidup,
tapi sering negatif pada unsur mati xilem atau pada tanah.”
Tyree (2002: 49) menyatakan, “Tegangan mudah dipahami pada
benda padat, semisal tali. Serat dari tali ditarik dari dua gaya yang berlawanan
–gaya gravitasi dan kekuatan melawan dari orang atau mesin yang menarik

38
tali. Teori Kohesi mengusulkan bahwa air pun dapat seperti itu pada kondisi
tertentu.” Berdasarkan pendapat Hoang (2013: 5) dapat disimpulkan bahwa
pada xilem, gaya gravitasi yang menarik kolom air ke bawah sedangkan
kapilaritas pada pori-pori dinding sel yang menahan air dari atas.
Gambar 2.22. Demonstrasi: (a) Evaporasi, (b) Transpirasi
(Teori Tegangan Kohesi), dan (c) Tekanan Akar
(Greulach & Adams, 1976: 229)
Dari pendapat Denny (2012: 44) dapat disarikan bahwa air ditarik
dari ujung saluran sebab tegangan yang ditimbulkan oleh transpirasi. Hal ini
adalah mekanisme pasif yang tidak membutuhkan energi dari pohon sebab
transpirasi terjadi sebab energi cahaya matahari. Dari pendapat Debenedetti
(1996: 21) dapat disimpulkan bahwa dua eksperimen oleh Holbrook, et al.
(1995) dan Pockman, et al. (1995) telah mendemonstrasikan secara jelas
kemampuan saluran xilem berisi air untuk menopang tegangan sampai dengan

39
-35 bar. Adams, et al. (1970: 223) menyatakan, “Fenomena ini telah
didemonstrasikan di awal 1890 oleh botanis Josef Boehm, E. Askenasy, dan
H. H. Dixon,” seperti yang diilustrasikan Gambar 2.22.
Greulach & Adams (1976: 229), menyatakan bahwa,
Pada peralatan Teori Tegangan Kohesi pada Gambar 2.22 (a) dan (b)
mendemonstrasikan proses evaporasi dan transpirasi. Air ditarik oleh
wadah tanah liat berpori dan cabang pohon. Merkuri ikut serta tertarik
sebab gaya adhesi antara merkuri dan air. Tekanan atmosfer hanya dapat
mengangkat air setinggi 76 cm, namun pada demonstrasi yang dilakukan,
merkuri dapat tertarik setinggi 100 cm atau lebih. Pada Gambar 2.22 (c)
mendemonstrasikan proses tekanan akar. Awalnya merkuri berada pada
ketinggian sama di antara dua lengan tabung U. Besar tekanan akar dapat
dilihat pada perbedaan ketinggian merkuri di kedua lengan.
Menurut pendapat Debenedetti (1996: 20) dapat disimpulkan bahwa
mekanisme naiknya air pada tumbuhan adalah gradien tegangan (tekanan
negatif): kolom air xilem ditarik menuju daun, tegangan air meningkat seiring
ketinggian. Dari pendapat Salisbury & Ross (1995: 71) dapat disarikan bahwa
kohesi di dalam kolom air yang kecil, seperti xilem, membuat air dapat
menahan regangan tanpa putus. Dari pendapat Denny (2012: 44) dapat
disimpulkan bahwa seiring dengan air menguap, kohesi membuat molekul air
tarik-menarik dengan molekul-molekul di belakangnya: mendorong air kepada
dinding xilem yang hidrofilik dengan adanya mekanisme adhesi, seperti
ditunjukkan Gambar 2.23.
Gambar 2.23. Kohesi dan Adhesi di Dalam Xilem
(Holtzclaw)
Dari pendapat Adams, Baker, & Allen (1970: 221) dapat disarikan
bahwa,

40
MacDougal berhipotesis, “jika air pada batang pohon berada dalam
keadaan tegang saat naik, maka tarikan air ke arah dalam pada xilem
akan mengecilkan diameter batang.” MacDougal kemudian melakukan
eksperimen dengan alat bernama dendograf. Alat ini mampu mendeteksi
perubahan sangat kecil pada diameter batang, seperti ditunjukkan
Gambar 2.24. Grafik hasil pengukuran benar menunjukkan bahwa
diameter batang mengecil pada siang hari, dan membesar pada malam
hari.
“Teori Tegangan Kohesi kali pertama diusulkan oleh Dixon dan Joly
pada akhir abad ke-19” (Denny: 2012: 45). Teori ini biasa disebut Teori
Kohesi. Dari pendapat Loveless (1991: 172) dapat disarikan bahwa,
Menurut teori ini, penarikan air dari xilem menyebabkan tegangan atau
tekanan negatif berkembang dalam air. Jika transpirasi berlangsung dan
air ditarik dari xilem, kolom air dibentangkan menjadi benang yang
tegang tetapi tidak terputus karena adanya kohesi antara molekul-
molekul air. Setiap kolom air berperangai seperti kawat baja kecil dalam
keadaan tegang. Tegangan yang berkembang pada ujung atas kolom air
dalam daun-daun yang bertranspirasi dengan demikian diteruskan ke
ujung bawah dalam akar.
Gambar 2.24. Kurva Hasil Dendograf
(Adams, et al. 1970: 222)
Dengan pendekatan fluida statis, telah dihitung bahwa setidaknya
membutuhkan tekanan negatif 1,1 MPa di ujung pohon setinggi 113 meter
untuk dapat menghisap air dari tanah, dan dengan kapilaritas meniskus di pori-
pori dinding sel mesofil daun menjadikan air mengalami tegangan melawan

41
gravitasi. Namun perhitungan tersebut masih menujukkan kondisi yang statis.
Selanjutnya, Hoang (2013: 8) menjelaskan, “molekul air dapat mengalir ke
atas sebab di pucuk xilem, air menguap karena proses transpirasi.” Dari
pendapat Adams, et al. (1970: 221) dapat disarikan bahwa eksperimen yang
membuktikan bahwa air ditarik dari atas telah dilakukan oleh botanis asal
Jerman, Bruno Huber, seperti yang ditunjukkan Gambar 2.25.
Gambar 2.25. Kecepatan Aliran Air di Pohon
(Adams, Baker, & Allen,1970: 222)
Huber memasukkan kabel kecil ke dalam batang pohon dan
memanaskan air di dalam xilem. Lalu Huber mengukur waktu yang
dibutuhkan air yang telah dihangatkan tadi untuk melewati thermocouple (alat
untuk mengukur suhu) yang diletakkan beberapa inci di atas. Huber
menemukan bahwa pada pagi hari, air pada bagian pohon yang lebih tinggi
bergerak lebih awal daripada bagian pohon yang lebih di bawah. Pengamatan
ini menjadi pertanda kuat bahwa gaya yang menarik air terjadi dari bagian atas
pohon, yang ternyata diketahui kemudian adalah daun (transpirasi). Tabel 2.3
menunjukkan beberapa kecepatan air xilem pada siang hari, bersama dengan
diameter yang sesuai dan gradien tekanan yang telah dihitung yang dibutuhkan
untuk menggerakkan arus.
Lebih lanjut, dari pendapat Hoang (2013: 6) dapat disarikan bahwa,
Pada pori-pori dinding sel mesofil daun, air berbatasan langsung dengan
udara. Kolom air harus menghadapi tekanan atmosfer. Semakin besar

42
tabungnya, semakin besar rasio molekul air yang menghadapi tekanan
atmosfer. Tabung xilem memang terlalu besar untuk menaikkan air lebih
dari 1 meter. Tapi dinding-dinding sel mesofil yang berbatasan langsung
dengan udara memiliki banyak sekali pori-pori sangat kecil. Sementara
tabung xilem berukuran 20 sampai 200 mikrometer, pori-pori dinding sel
berukuran 2 sampai 5 nanometer. Ini hampir skala molekul dan berarti
permukaan meniskus yang terdapat pada pori-pori ini hanya terdiri dari
beberapa ratus molekul. Interaksi antarmolekul menjadi lebih kuat.
Karena ada miliaran pori-pori pada daun suatu pohon, dan hampir ada
satu juta daun di pohon, maka suatu pohon memiliki sekitar jutaan miliar
permukaan air-udara, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.26.
Tabel 2.3. Laju Air, Diameter Xilem, dan Gradien Tekanan yang Telah
Dihitung (Debenetti, 1996: 24)
Pohon Laju Air
(m/jam)
Diameter
Saluran ( m)
Gradien Tekanan
(bar/m)a
Cincin berporib
Oak (Qurecus
pedunculata)
43,6 200-300 0,043-0,096
Kacang kastanye
(Castanea vesca)
24 300-350 0,017-0,024
Broom (Cytius laburnum) 3,9 60-250 0,006-0,096
Pori menyebarb
Kapas (Populus
balsamifera)
6,25 80-120 0,039-0,087
Alder (Alnus glutinosa) 2 20-90 0,022-0,444
Kastanye kuda (Aesculus
hippocastanum)
0,96 30-60 0,024-0,095
Konifer
Larch (Larix decidua) 2,1 s.d. 55 0,062
Cemara (Pice excelsa) 1,2 s.d. 45 0,053
Hemlock (Tsuga
canadiensis)
1 s.d. 45 0,044
a
= 8η(v)/r2
, dengan adalah gradien tekanan, η adalah viskositas
(=0,001 kg sec-1
m-1
sesuai dengan air pada 20C), (v) adalah laju rata-rata pada
kapiler, dan r adalah jari-jari kapiler. Gradien ideal dihitung dari persamaan
Hagen-Poiseuille.
b
Pada pohon cincin berpori, diameter tabung xilem yang terbentuk di awal
musim pertumbuhan lebih besar daripada tabung yang terbentuk lebih akhir.
Pada pohon dengan pori menyebar, tabung xilemnya berdiameter kecil, dan
ukuran diameter yang terbentuk di awal musim pertumbuhan mendekati
ukuran diameter yang terbentuk setelahnya.

43
Pada Gambar 2.26 diilustrasikan pori-pori yang terdapat dinding sel
mesofil daun pohon Harry Cole. Pori-pori ini merupakan tempat air berbatasan
langsung dengan udara dan terjadi transpirasi. Jika dianggap diameter pori-
pori dinding sel mesofil yang berbatasan dengan udara sebesar d = 5 nm,
tegangan permukaan air pada suhu 20C adalah = 0,072 N/m, tekanan
atmosfer pada ketinggian 113 meter yaitu Patm = 99.997,76 Pa (telah
diketahui), dan tekanan minimum yang timbul di pucuk pohon Harry Cole
adalah sebesar P =-1.107.400 Pa maka gaya dorong F1 dari tekanan atmosfer
dapat dihitung:
( )( )( )
Gambar 2.26. Ilustrasi Kumpulan Saluran Xilem
(Hoang, 2013: 8)
Meskipun air mendapat gaya tekan dari tekanan atmosfer dan di sisi
yang lair air mengalami kondisi tegang, air tidak runtuh karena adanya gaya

44
dari tegangan permukaan pori-pori dinding sel F2 yang dapat dihitung sebagai
berikut:
( ) ( ) ( ) ( )
Gambar 2.27. Ilustrasi Tekanan pada Pori-Pori
Dinding Sel Mesofil (Muller, 2012: 1)
Pada Gambar 2.27, dapat dilihat bahwa tegangan permukaan
membuat air molekul-molekul di permukaan mengalami gaya netto yang
mengarah ke dalam. Hal tersebut menjadikan cairan cenderung memperkecil
luas permukaannya dan lebih sulit untuk dipecahkan. Meskipun di satu sisi
berbatasan langsung dengan atmosfer yang menekan dan di sisi yang lain
mengalami kondisi yang tegang, air tetap tidak runtuh. Gaya F2
mempertahankan air tidak runtuh ditekan gaya dari tekanan atmosfer F1
dengan beda gaya yang besar (beda sekitar 1/1000).
FTekan Atmosfer = F1
2-5 nm
FTegangan Permukaan = F2

45
Gambar 2.28. Permukaan Luar Pori-Pori Mesofil Daun
(a) Dinding Sel Jenuh Air,
(b) Dinding Sel Akibat Transpirasi
(Loveless, 1991: 171)
Menurut pendapat Loveless (1991: 172) dapat disarikan bahwa,
Selama transpirasi daun, air menguap ke dalam ruang-ruang udara
antarsel pada jaringan mesofil dari dinding-dinding sel jenuh air.
Penguapan air dari permukaan sel-sel yang sedang bertranspirasi
menyebabkan meniskus dalam pori-pori submikroskopik ini tertarik ke
atas seperti ditunjukkan pada Gambar 2.28. Ini menimbulkan tekanan
negatif pada air, sehingga air berdifusi ke dalam sel-sel ini dari sel-sel di
sebelahnya. Dengan demikian terus berlanjut sampai mencapai sel-sel
yang berbatasan langsung dengan unsur-unsur xilem dalam ikatan
pembuluh urat-urat daun. Sel-sel terakhir ini kemudian menarik air dari
jaringan xilem.
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa Teori Tegangan
Kohesi adalah teori yang menyatakan bahwa air naik ke puncak pohon dengan
suatu mekanisme pasif (tidak memerlukan energi dari pohon). Air memanjat
pohon secara otomatis sebab perbedaan tekanan. Puncak pohon memiliki
tekanan yang lebih negatif daripada dasar pohon. Gravitasi tidak mampu
memutuskan tarik menarik antarmolekul air sebab adanya kohesi yang kuat
pada air. Kapilaritas pada pori-pori kecil dinding sel menahan air dari atas.
Kemudian transpirasi molekul-molekul air di dedaunan (puncak pohon)

46
menarik air di belakangnya, sehingga terjadi aliran air dari bawah ke atas
melawan gravitasi.
2. Paradoks dalam Fisika
Zaimar (2002: 52) menyatakan bahwa,
Paradoks adalah opini atau argumen yang berlawanan dengan pendapat
umum, bisa dianggap aneh atau luar biasa. Dikatakan juga paradoks,
suatu proposisi yang salah tetapi sekaligus juga benar. Sering kali dibalik
gagasan yang mengherankan, paradoks menyembunyikan kebenaran
yang dapat dipertahankan.
Fisika memiliki fenomena-fenomena yang dianggap paradoks.
Beberapa di antaranya adalah sebagai berikut:
a. Paradoks Kembar
Widy (2009: 1) menyatakan, “Pembahasan mengenai paradoks
kembar menyangkut dua jam identik, satu diam di bumi sedangkan jam
yang lain diletakkan pada sebuah pesawat ruang angkasa yang terbang
dengan kecepatan u. Biasanya kedua jam diganti dengan sepasang
kembar.” Salah satu dari anak kembar (A) tersebut melakukan perjalanan
ke antariksa dengan roket berkecepatan tinggi (mendekati kecepatan
cahaya, misalkan u = 0,8c) saat keduanya berusia 30 tahun. Saat kembali
ke bumi, A mendapati kembaran yang tinggal di bumi (B) berusia 80
tahun, sedangkan A jauh lebih muda. Hal tersebut tampak mustahil, tetapi
hal tersebut merupakan implikasi dari Teori Relativitas Khusus yang
dicetuskan oleh Albert Einstein. Teori ini menegaskan bahwa tidak ada
satu percobaan yang dapat digunakan untuk mengukur kecepatan terhadap
ruang mutlak (tidak adanya kerangka referensi universal) dan bahwa laju
cahaya adalah sama bagi semua pengamat, sekalipun pengamat dalam
keadaan gerak relatif. Menurut A, B yang melakukan perjalanan terhadap
A, sehingga seharusnya B yang di bumi yang akan lebih muda. Beiser
dalam Kustanto & Oktova (2016: 13) menyatakan, “Di sini paradoks dari
kasus "si kembar"dalam teori relativitas khusus.” Sebuah paradoks dalam
logika dan secara ilmiah mengacu pada hasil-hasil yang tidak sesuai, yang
secara logika tidak mungkin.

47
Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: A bergerak
bersama pesawat dengan v = 0,8 c sehingga A sebagai kerangka yang
diam, maka pertambahan umur yang ingin dihitung A adalah T₀ . Menurut
B sebagai kerangka yang bergerak terhadap pesawat, A bepergian selama
T = 80 tahun – 30 tahun = 50 tahun. Usia A dapat dicari dengan prinsip
dilatasi waktu berikut:
√
√ ( )
√
30 tahun
Usia A adalah usia ketika pergi ditambah waktu perjalanan bagi A = 30
tahun + 30 tahun = 60 tahun.
b. Paradoks Kucing Schrödinger
Kucing Schrödinger adalah sebuah eksperimen teoritis yang
dicetuskan oleh Edwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961).
Schrodinger berusaha untuk menunjukkan keterbatasan mekanika
kuantum: partikel kuantum seperti atom bisa berada di dua atau lebih
keadaan kuantum yang berbeda pada saat yang sama tapi tentunya, ia
berpendapat, objek klasik yang terbuat dari sejumlah besar atom, seperti
kucing , tidak bisa berada di dua keadaan yang berbeda.
Ditempatkan kucing hidup ke dalam ruang baja, bersama dengan
perangkat berisi asam hydrocyanic. Di dalam ruang itu, diberikan asam
hidrosianat dalam jumlah yang sangat kecil yang merupakan zat radioaktif.
Bahkan jika satu saja atom dari substansi meluruh selama periode

48
pengujian, mekanisme estafet akan mengerakkan palu, yang pada
gilirannya akan memecahkan botol dan membunuh kucing.
Pengamat tidak dapat mengetahui apakah atom zat tersebut telah
meluruh atau tidak, dan akibatnya, tidak dapat mengetahui apakah botol
telah rusak, asam hidrosianat sudah menyebar, dan kucing mati. Karena
pengamat tidak bisa tahu, menurut hukum kuantum, kucing itu dalam
keadaan mati dan hidup, yang disebut keadaan superposisi. Hanya jika
pengamat membongkar kotak dan melihat kondisi kucing sehingga
keadaan superposisi hilang, dan pengamat tahu keadaan kucing secara
pasti (hidup atau mati). Situasi ini disebut ketidakpastian kuantum atau
paradoks pengamat: pengamatan atau pengukuran itu sendiri
mempengaruhi hasil, sehingga hasil seperti itu tidak ada, kecuali
pengukuran dilakukan. Artinya, tidak ada hasil yang tunggal kecuali hal
tersebut diamati.
Inilah paradoks kucing Schrödinger. Schrödinger menyampaikan
suatu hal yang tak masuk akal bahwa kucing mati sekaligus hidup di waktu
yang bersamaan. Para ilmuwan kemudian menyebut kondisi campuran ini
sebagai superposisi keadaan (keadaan yang tidak bisa dipastikan karena
persentase hidup-mati kucing sama = 50%). Jika kotak tidak pernah
dibuka, pengamat tidak akan tahu apakah kucing mati atau hidup. Selama
tidak dilakukan pemeriksaan, kemungkinan kucing mati atau hidup sama-
sama 50%. Mengikut ide Schrödinger, maka kucing akan berada dalam
keadaan superposisi (antara mati dan hidup). Hal ini akan terus
berlangsung sampai keadaan menjadi terpastikan misalnya melalui
pengamatan sampai pengamat memutuskan untuk membuka kotak.
Jika “kucing” diganti dengan “fungsi gelombang”, hal tersebut
akan melahirkan banyak tafsir, salah satunya yaitu teori Many-Worlds
Interpretation (MWI). Probowening (2012: 1) mengungkapkan, “Menurut
MWI, jika saat dibuka kucing masih hidup, sebenarnya probabilitas kucing
mati tidak menghilang. tetapi mewujud di dunia paralel. Hanya karena
adanya beda fasa, maka dunia tersebut tidak bisa diamati.”

49
c. Paradoks Hidrostatis
Gambar 2.29. Tekanan pada Bejana Berhubungan
(Mundilarto & Istiyono, 2008: 77)
Sekilas melihat Gambar 2.29, tinggi air pada bejana yang berbeda
tetap sama. Dari pendapat Mundilarto & Istiyono (2008: 77) dapat
disimpulkan, “Menurut intuisi, tekanan terbesar ada pada bejana terbesar
dan air akan dipaksa ke bagian kecil untuk mencapai ketinggian yang
paling besar. Namun, tekanan hidrostatis pada setiap bejana dari
kedalaman yang sama dari permukaan adalah sama besar.” Hal ini disebut
paradoks hidrostatis.
Warsito (2010: 4) mengungkapkan, “Gaya hidrostatis pada dasar
bejana tidak tergantung pada banyaknya zat cair maupun bentuk bejana,
melainkan tergantung pada: massa jenis zat cair, tinggi zat cair di atas
bejana, dan luas dasar bejana.” Bejana yang mempunyai luas dasar A yang
sama dan berisi zat cair dengan ketinggian h yang sama pula, menurut
hukum utama hidrostatis, “Tekanan hidrostatis padadasar masing-masing
bejana adalah sama,” yaitu:
Giancoli (2001: 326) menyatakan, “Tekanan didefinisikan sebagai gaya
per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap
permukaan A”, sehingga:
Oleh karena itu, gaya hidrostatis dapat diungkapkan sebagai berikut:
( )

50
3. Paradoks Teori Tegangan Kohesi
Loveless (1991: 175) mengungkapkan, “Ada beberapa sanggahan
serius terhadap Teori Tegangan Kohesi, terutama bahwa belum ada seorang
pun yang dapat mengukur tegangan dalam xilem tumbuhan utuh. Sampai
tegangan dapat dipastikan dengan pengukuran, teori tersebut tetap merupakan
teori belaka.” Dari pendapat Tyree (2003: 923) dapat disimpulkan bahwa saat
F. Darwin mengomentari Teori Tegangan Kohesi, Darwin mengungkapkan
,“To believe that columns of water should hang in the tracheals like solid
bodies, … to some of us equivalent to believing in ropes of sand”.
Greulach & Adams (1976: 229) mengungkapkan, “Mungkin bukti
yang paling meyakinkan yaitu jaringan xilem yang secara hati-hati diambil,
kemudian sel trakea ditusuk sembari diperhatikan di bawah mikroskop, maka
air dalam sel trakea akan terpisah dari lubang tusukan.”
Pada awalnya, teori Tegangan Kohesi sulit dipercayai kebenarannya
karena dengan menurunnya tekanan, maka turun pula titik didih. Fenomena
tersebut umum dijumpai pada pendaki gunung yang mendidihkan air di
puncak gunung. Air akan mendidih sebelum suhu 100C. Oleh karena itu,
seharusnya air di dalam xilem menguap atau mendidih sebab mengalami
penurunan tekanan sedimikian ekstrim. Menurut pendapat Debenedetti (1996:
20) dapat disimipulkan bahwa tegangan pada air dalam xilem menunjukkan
bahwa air memiliki tekanan yang lebih rendah dari tekanan uapnya pada suhu
tertentu, oleh karena itu, pohon mengandalkan cairan metastabil untuk
memenuhi kebutuhan air dan mineral. Berdasarkan pendapat dari Tyree &
Sperry (1989: 21) dapat disarikan bahwa meskipun ada bukti eksperimental
bahwa tekanan negatif harus ada pada xilem, banyak orang berpendapat bahwa
peristiwa kavitasi akan terlalu umum terjadi jika air dalam keadaan tertekan
dalam waktu lama.
Dari pendapat Tyree & Sperry (1989: 20) bahwa air dengan tekanan
negatif pada xilem menandakan air harus tetap cair pada tekanan jauh di
bawah tekanan uapnya. Pada kondisi metastabil ini, terjadinya penguapan,
atau disebut dengan kavitasi, harus dicegah jika diinginkan air tetap kontinu

51
mengalir. Himawan (2010: 1) mengungkapkan bahwa metastabil adalah
kondisi yang menunjukkan bahwa sistem itu memiliki kestabilan yang kritis.
Dengan adanya pengaruh dari luar (misalnya gelembung udara) akan
mengganggu kestabilan larutan metastabil, sehingga larutan jatuh ke tingkat
energi yang lebih rendah.
Rozi (2014: 1) mengungkapkan bahwa kavitasi adalah peristiwa
terjadinya gelembung-gelembung uap sebab suatu fluida mengalir dengan
tekanan di bawah tekanan uap jenuh. Kavitasi menyebabkan kapasitas pompa
berkurang karena gelembung uap mengambil volume ruang pompa. Menurut
pendapat Tyree & Sperry (1989: 20) dapat disarikan bahwa kavitasi
menjadikan saluran xilem terisi dengan udara. Saluran yang dipenuhi udara ini
terembolisasi (tersumbat) dan tidak dapat menyalurkan air.
Dari pendapat Prihastanti, et al (2015: 1689) dapat disarikan bahwa
kavitasi adalah suatu proses fase uap masuk ke dalam kolom air pada xilem
dan menyebabkan embolisme. Embolisme adalah gelembung gas yang
terperangkap di xilem. Gelembung-gelembung gas ini awalnya berupa uap air.
Dari pendapat Denny (2012: 45) dapat disimpulkan bahwa embolisme biasa
terjadi sebagai efek dari kerusakan atau penyakit. Kemasukan udara adalah
masalah yang lebih serius daripada uap air sebab uap lebih mudah diserap
kembali oleh cairan. Menurut Tyree (2003: 923) dapat disarikan bahwa
kecenderungan air metastabil mengalami kavitasi memang argumen utama
yang banyak digunakan untuk menolak Teori Tegangan Kohesi. Namun Tyree
& Sperry (1989: 21) mengungkapkan, “Paradoxically, however, the
demonstration that cavitation events occur can be the most powerful proof of
the cohesion theory.”
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa kelemahan
sekaligus bukti kuat dari Teori Tegangan Kohesi adalah air yang berada dalam
kondisi metastabil rentan terhadap kavitasi dan embolisme. Kavitasi adalah
proses terbentuknya uap atau gelembung sebab larutan berada pada tekanan
rendah di bawah tekanan uap jenuh larutan tersebut. Sedangkan embolisme
adalah tersumbatnya suatu saluran sebab adanya embolus (zat asing) yang

52
menyumbat. Dalam hal ini, yang menyumbat xilem adalah gas atau gelembung
udara.
Bagaimanapun juga, pohon (tanaman vaskuler) adalah anggota dari
Kingdom Botani yang telah berevolusi sedemikian rupa. Pohon memiliki
beberapa mekanisme untuk meredam dampak buruk kavitasi dan embolisme.
Brown (2013: 338) mengungkapkan, “Xilem telah terisi air sejak awal
diferensiasi sel. Hal ini sering dikesampingkan botanis, namun bagi seorang
fisikawan yang ingin memahami bagaimana air sampai ke dedaunan pohon
tinggi, fakta tersebut merupakan informasi penting.” Berbeda dengan sedotan,
awalnya sedotan terisi oleh udara yang kemudian diisap. Xilem telah terisi
oleh air sejak awal, tidak ada celah bagi udara untuk berada di xilem. Hal ini
merupakan salah satu mekanisme pohon yang penting untuk menekan
fenomena kavitasi.
Lebih lanjut, Brown (2013: 338) menyatakan, “Yang menjadi kunci
adalah sejak kali pertama tidak boleh dibiarkan adanya udara di dalam xilem.
Hal ini mungkin terjadi karena sel xilem terlahir basah, dan ultrafiltrasi pada
membran akar akan menghentikan kantong udara memasuki xilem.” Dengan
begitu, udara dari luar tidak mungkin masuk dalam keadaan normal. Menurut
pendapat Greulach & Adams (1976: 230) dapat disarikan bahwa kemasukan
udara dapat terjadi karena putusnya pembuluh xilem sebab luka atau ketika
cabang pohon dipotong.
Menurut pendapat Adams, et al. (1970: 223-224),
The concept that the water is pulled upward through the xylem does not,
of course, explain a very important question concerning the ascent of sap
in tall trees: how did the water getup to the tops of these trees in the first
place? The water cohesion hypothesis simply attempts to explain how the
water transport system is maintained within the living plant. It says
nothing about the relationship between the growth of a tree and the
mechanism of water movement.
One recent viewpoint holds that the water in the top of a tall tree first got
up there by growing there. In the spring, a new layer of potential xylem
cells is produced by the vascular cambium. This new xylem is located
just outside the layer formed the previous year. The cells of the cambium
and the immature xylem cells (being still alive) absorb water laterally
from the tracheids and vessels of the older xylem. Indeed, according to
this hypothesis, the new cells absorb so much water that their contents

53
actually develop a temporary positive pressure. Supporting this
contention is the observation that when these cells are punctured with a
fine needle, liquid may exude from them. Once the leaves have expanded
sufficiently for water to transpire from them, however, the water in the
new xylem cells loses its positive pressure and a tension develops in the
column of xylem liquid. According to this hypothesis, therefore, the
process that initially establishes the water columns in the new xylem
each year seems to be the water-absorbing activity of the living
immature xylem cells. Once the water columns are formed and placed
under tension generated by transpiration from the leaves and metabolic
use of water by the leaf cells, this initial role of the living cells in the
water transport system ceases. Upward movement of the water columns
is then maintained by the purely physical forces of evaporation and
water cohesion.
Dari penjelasan tersebut, dapat disarikan bahwa Teori Tegangan
Kohesi tidak menjelaskan cara air mencapai puncak ketika xilem masih
merupakan sel hidup. Salah satu hipotesis menyatakan bahwa air mencapai
puncak dengan cara tumbuh seiring pohon. Pada musim semi, sebuah lapisan
xilem dihasilkan dari kambium vaskuler. Sel kambium dan sel xilem muda
yang masih hidup menyerap air secara lateral dari xilem yang lebih tua. Hal ini
menyebabkan sel baru menyerap banyak air sehingga isi sel memiliki tekanan
positif sementara. Mendukung hipotesa ini, ketika sel-sel muda ini ditusuk
dengan jarum, cairan akan keluar dari sel. Ketika daun telah terisi secukupnya
agar air dapat bertranspirasi dari xilem muda ini, akhirnya sel kehilangan
tekanan positifnya dan tegangan muncul. Mengacu pada hipotesa ini, dapat
disimpulkan bahwa proses pengangkutan air bermula dari aktivitas menyerap
air pada xilem muda. Ketika kolom air telah terbentuk dan berada di bawah
tegangan yang timbul dari transpirasi, peran awal sel hidup ini dalam sistem
transportasi air berhenti. Gerak air ke atas kemudian murni terjadi sebab gaya
fisis yang timbul dari transpirasi dan kohesi air.
Jika kavitasi tetap terjadi, Tyree (2003: 923) mengungkapkan bahwa
kavitasi terbatas hanya ada saluran tunggal xilem. Dari pendapat Adams, et al.
(1970: 223) dapat disarikan bahwa kehadiran gelembung udara di satu bagian
xilem tidak bercampur dengan xilem yang lain. Sebuah tanaman biasanya

54
memiliki kapasitas konduktif air jauh lebih besar daripada yang dibutuhkan
untuk bertahan hidup. Sejumlah xilem yang rusak bukan permasalahan besar.
Lebih lanjut, dari pendapat Tyree (2003: 923) dapat disarikan bahwa
mekanisme tegangan kohesi tetap dapat bekerja meskipun ada jutaan
kemungkinan kavitasi di saluran, sebab ada miliaran sampai triliunan saluran
di pohon dan karena saluran yang berdekatan diisolasi satu sama lain oleh
dinding sel. Selain itu, dari pendapat Denny (2012: 45)
The reason why sap can exist in a metastable state is that it is confined to
airtight conduits of small diameter. If cavitation occurs—if a bubble of
water vapour appears in the liquid under tension—then the bubble
radius is small because the conduit radius is small. The surface tension
in small bubbles is enough to overcome the negative pressure, so that the
bubble collapses and the water vapour is absorbed into the liquid. Above
a critical radius, the surface tension is overwhelmed by the negative
pressure and the bubble expands.
Dari penjelasan tersebut, dapat disarikan bahwa alasan mengapa air
bisa dalam keadaan metastabil adalah air berada pada saluran kedap udara
berdiameter kecil. Jika kavitasi terjadi, maka jari-jari gelembung yang
terbentuk akan kecil sebab jari-jari saluran xilem kecil. Tegangan permukaan
dari gelembung yang kecil cukup untuk mengatasi tekanan negatif, sehingga
gelembung pecah, uap air diserap, dan embolisme tidak akan terjadi. Namun di
atas jari-jari kritis, tegangan permukaan dikeliling oleh tekanan negatif dan
gelembung mengembang.
Tyree & Sperry (1989: 21) menjelaskan, “Peirce pada tahun 1936
mungkin adalah yang pertama menunjukkan kavitasi di tanaman. Peirce
menunjukkan bahwa beberapa xilem telah terembolisasi, dan oleh karena itu
kavitasi pasti telah terjadi sebelumnya.”
Dari pendapat Adams, et al. (1970: 223) dapat disarikan bahwa ada
kemungkinan gelembung udara akan terbentuk dan memutus kolom air dalam
xilem, terutama saat angin bertiup kencang dan/atau transpirasi sedang
banyak-banyaknya. Penelitian awal abad ke-21 pun mengungkapkan bahwa
sekarang telah jelas bahwa kekeringan dapat menyebabkan kavitasi dan

55
embolisme pada xilem. Ini bukan satu-satunya penyebab, tapi selama musim
panas, ini adalah faktor utama (Cruiziat, Cochard, & Ameglio, 2002: 734).
Selain itu, berdasarkan pendapat Denny (2012: 45) dapat disarikan
bahwa embolisme terjadi setiap musim semi setelah air di xilem mencair,
namun hal itu tidak menyebabkan pohon selalu mati karena xilem baru dibuat
setiap tahun dan karena pohon mampu menyerap kembali gas asalkan
gelembung tidak terlalu besar.
Dari penjelasan di atas, disimpulkan bahwa pada awalnya, Teori
Tegangan Kohesi yang dirasa masuk akal dan dapat menjelaskan mekanisme
naiknya air dalam pohon mendapat kritik dan diragukan kebenarannya.
Paradoks ini disebabkan air berada dalam kondisi metastabil dalam waktu
yang lama dan sangat rentan terhadap kavitasi. Kavitasi merupakan fenomena
yang dijumpai pada pohon, terutama saat angin bertiup kencang, transpirasi
sedang banyak-banyaknya, dan saat kekeringan. Kavitasi dapat hilang jika
jari-jari gelembung tidak lebih besar dari jari-jari saluran. Namun jika lebih,
kavitasi akan berkembang menjadi embolisme. Embolisme umum terjadi saat
musim semi, setelah air pada xilem mencair. Selain itu embolisme juga kerap
ditemui karena putusnya pembuluh xilem sebab luka atau ketika cabang pohon
dipotong. Kemasukan udara adalah masalah yang lebih serius daripada uap air
sebab uap lebih mudah diserap kembali oleh cairan. Namun, setelah
mengalami evolusi, pohon memiliki mekanisme pertahanannya sendiri untuk
dapat menghadapi kavitasi dan embolisme.

56
BAB III
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan dapat disimpulkan bahwa:
1. Prinsip Fisika yang digunakan pohon untuk dapat mengangkut air ke puncak
tertinggi adalah tekanan negatif pada fluida, kapilaritas pada ujung saluran
xilem, dan transpirasi. Jika meninjau pohon redwood yang tingginya berkisar
100 meter, dibutuhkan beda tekanan 1 MPa atau 10 atm. Hal ini diatasi pohon
dengan menciptakan tekanan negatif. Tekanan negatif menandakan air dalam
keadaan tegang (seperti tali yang sedang mengangkat beban ditarik dari atas),
dan gaya gravitasi yang menarik kolom air ke bawah sedangkan kapilaritas
pada pori-pori dinding sel yang menahan air dari atas. Adanya transpirasi
membuat tekanan uap di dalam daun selalu berkurang, sehingga proses ini
akan menarik air dari sel sebelah dalam daun dan seterusnya. Hal ini adalah
mekanisme pasif yang tidak membutuhkan energi dari pohon sebab transpirasi
terjadi sebab energi cahaya matahari.
2. Pada awal diusulkan Teori Tegangan Kohesi, teori tersebut menimbulkan
perdebatan. Para fisikawan pesimis bahwa air bisa dalam keadaan metastabil
dalam rentang waktu lama, bahkan sampai berpuluh-puluh tahun seperti pada
pohon. Air yang mengalami penurunan tekanan sedemikian ekstrim
seharusnya mendidih (fase uap), yang disebut dengan kavitasi. Gelembung-
gelembung uap yang berukuran besar akan memutus aliran air, atau dengan
kata lain saluran tersumbat oleh udara. Gejala ini disebut embolisme. Hasil
pelbagai penelitian menunjukkan bahwa kavitasi memang dapat terjadi.
Gelembung-gelembung uap air yang kecil dapat dengan mudah pecah dan
udara di dalam gelembung diserap kembali oleh air. Namun gelembung-
gelembung uap yang besar akan menyebabkan embolisme, dan hal tersebut
wajar dijumpai ketika tanaman kekurangan air atau pada saat musim semi
setelah air di dalam xilem mencair. Alhasil, adanya kavitasi dan embolisme
semakin memperkuat kebenaran Teori Tegangan Kohesi.

57
B. Saran
Dari pembahasan Makalah Seminar Fisika ini, penulis menyarankan bagi
pembaca agar:
1. Sebaiknya kesadaran untuk mencintai pohon dan air lebih ditingkatkan
2. Sebaiknya mencari literatur lain untuk mempelajari sistem pengangkutan air
pada pohon secara mendalam

Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi

Similar to Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi (11)

More from Sulistiyo Wibowo

More from Sulistiyo Wibowo (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Seminar Fisika Tinjauan Fisis Sistem Pengangkutan Air dalam Pohon dan Paradoks Teori Tegangan Kohesi