Massa jenis udara atau kerapatan udara sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor. Masing-masing hal yang tersebut akan dijelaskan secara terperinci dalam artikel berikut ini.
Massa jenis atau densitas atau rapatan secara singkat dapat diartikan sebagai suatu ukuran perbandingan antara massa benda dengan volume. Massa jenis merupakan pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, semakin besar pula massa setiap volumenya.
Massa jenis rata-rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air).
Massa jenis memiliki tiga kategori, yakni padat, cair, dan gas. Ketiganya tentu memiliki konsep yang berbeda-beda, termasuk di antaranya berkaitan dengan faktor yang mempngaruhi besar kecilnya massa jenis zat.
Daftar Isi
Apa Itu Udara?
Udara merujuk kepada campuran gas yang terdapat di permukaan bumi. Udara tidak tampak mata, tidak berbau, dan tidak ada rasanya. Kehadiran udara hanya dapat dilihat dari adanya angin yang menggerakan benda. Udara termasuk salah satu jenis sumber daya alam karena memiliki banyak fungsi bagi makhluk hidup.
Kandungan elemen senyawa gas dan partikel dalam udara akan berubah-ubah dengan ketinggian dari permukaan tanah. Demikian juga massanya, akan berkurang seiring dengan ketinggian. Semakin dekat dengan lapisan troposfer, udara semakin tipis, sehingga melewati batas gravitasi bumi, udara akan hampa sama sekali.
Apabila makhluk hidup bernapas, kandungan oksigen berkurang, sementara kandungan karbon dioksida bertambah. Ketika tumbuhan menjalani sistem fotosintesa, oksigen kembali dibebaskan.
Udara terdiri atas tiga unsur utama, yaitu udara kering, uap air, dan aerosol. Kandungan udara kering adalah 78,09% nitrogen, 20,95% oksigen, 0,93% argon, 0,04% karbon dioksida, dan gas-gas lain yang terdiri dari neon, helium, metana, kripton, hidrogen, xenon, ozon, radon. Uap air yang ada pada udara berasal dari evaporasi (penguapan) pada laut, sungai, danau, dan tempat berair lainnya. Aerosol adalah benda berukuran kecil, seperti garam, karbon, sulfat, nitrat, kalium, kalsium, serta partikel dari gunung berapi.
Jenis Udara
Kalau suatu massa udara berdiam beberapa hari lamanya di atas suatu daerah tertentu, akhirnya udara yang bersangkutan akan memperoleh sifat-sifat yang khusus berlaku untuk daerah permukan bumi tersebut. Kalau misalnya daerah yang bersangkutan panas dan lembab, massa udara tersebut akan menjadi panas dan lembab pula. Sebaliknya, kalau daerah yang bersangkutan dingin dan kering, udara tersebut akan menjadi dingin dan kering pula. Suatu massa udara yang telah memperoleh sifat-sifat yang khusus berlaku untuk daerah permukaan bumi yang telah dialami sekian lama itu disebut jenis udara.
Definisi jenis udara adalah suatu massa udara yang luasnya berjuta-juta kilometer2 dan tebalnya sekurang-kurangnya 1 kilometer. Udara telah mempunyai sifat-sifat fisik yang sama untuk tiap-tiap irisan horizontal. Dalam hal ini, yang dimaksud dengan sifat-sifat fisik adalah kelembapan udara dan temperatur.
Daerah permukaan bumi dapat berbentuk suatu jenis udara yang disebut daerah sumber jenis udara, tetapi tidak setiap daerah permukaan bumi dapat berfungsi sebagai daerah sumber jenis udara. Untuk dapat berfungsi sebagai daerah sumber jenis udara, daerah permukaan bumi yang bersangkutan harus memenuhi dua buah syarat, yaitu:
- Daerah yang bersangkutan harus luas sekali, sehingga massa udara yang berukuran luas berjuta-juta kilometer2 itu dapat berada beberapa hari lamanya di atas daerah tersebut.
- Daerah yang bersangkutan harus mempunyai permukaan yang homogen (sejenis), misalnya padang pasir yang sangat luas atau suatu padang salju yang sangat luas.
Pembagian Jenis Udara
Secara geografis, jenis udara dapat dibagi menjadi empat golongan, yaitu:
- Jenis udara ekuatorial, yaitu jenis udara yang terbentuk di daerah sekitar ekuator antara lintang 20° selatan dan lintang 20° utara.
- Jenis udara tropika, yaitu jenis udara yang terbentuk di daerah sub tropika antara lintang 20° U/S dan 50° U/S.
- Jenis udara polaris, yaitu jenis udara yang terbentuk di daerah sedang antara lintang 50° U/S dan 70° U/S4.
- Jenis udara arktris, yaitu jenis udara yang terbentuk di daerah kutub antara lintang 70° U/S dan lintang 90° US.
Setelah terbentuk, jenis udara tidak menetap untuk selama-lamanya di atas daerah sumber jenis udaranya, melainkan akhirnya jenis udara itu akan meninggalkan daerah sumber jenis udaranya, dan bergeser-geser pindah ke daerah lain. Dalam perjalanannya, di luar daerah sumber jenis udaranya itu jenis udara yang bersangkutan akan melalui daerah-daerah yang sifat permukaannya berbeda dengan sifat permukaan daerah asalnya, sehingga jenis udara tersebut mengalami suatu transformasi (perubahan sifat).
Semakin lama waktu yang berselang setelah jenis udara yang bersangkutan meninggalkan daerah sumbernya, semakin besar pula perubahan sifat-sifat fisik yang dialami oleh jenis udara yang bersangkutan, sehingga semakin sukarlah untuk mengenai kembali dari mana jenis udara tersebut berasal.
Adapun umur suatu jenis udara dihitung mulai saat jenis udara yang bersangkutan meninggalkan daerah sumber jenis udaranya. Semakin berlanjut umur suatu jenis udara, semakin sukarlah untuk mengenal kembali daerah asal jenis udara yang bersangkutan.
Pengertian Massa Jenis Udara
Dalam ilmu fisika, dikenal adanya pengukuran mengenai perbandingan antara massa benda dengan volume atau lazim disebut sebagai massa jenis. Dasar pengukuran ini tak lain disebabkan adanya perbedaan kerapatan antarbenda, baik itu gas, cair maupun padat. Dapat diartikan sebagai suatu pengukuran kerapatan udara tiap satuan volume, massa jenis udara memiliki tingkat densitas yang berbeda-beda.
Perbedaan tersebut lazimnya dipengaruhi oleh beberapa faktor utama, yakni tingkat kelembapan dan suhu. Semakin tinggi suhu atau kelembapan suatu benda, akan memengaruhi peningkatan massa jenis zat, begitupun sebaliknya. Namun, hal ini tidak berlaku untuk semua benda, khususnya untuk massa jenis udara termasuk di dalamnya adalah massa jenis florida.
Massa jenis udara dapat diartikan sebagai suatu ukuran perbandingan antara massa benda dengan volume. Memiliki tiga jenis, yakni padat, cair, dan gas ketiganya tentu memiliki konsep yang berbeda-beda termasuk di antaranya berkaitan dengan faktor yang mempengaruhi besar kecilnya massa jenis zat. Dalam ilmu fisika, dikenal adanya pengukuran mengenai perbandingan antara massa benda dengan volume atau lazim disebut sebagai massa jenis.
Dasar pengukuran ini tak lain disebabkan adanya perbedaan kerapatan antar benda baik itu gas, cair maupun padat. Dapat diartikan sebagai suatu pengukuran kerapatan udara tiap satuan volume, massa jenis udara memiliki tingkat dentitas yang berbeda-beda. Perbedaan tersebut lazimnya dipengaruhi oleh beberapa faktor utama yakni tingkat kelembapan dan suhu serta tekanan udara.
Semakin tinggi suhu atau kelembapan suatu benda, akan memengaruhi peningkatan massa jenis zat, begitu pun sebaliknya. Tekanan udara sangat dipengaruhi dengan densitas udara (kerapatan massa udara) atau tingkat kepadatan. Besarnya tekanan udara bergantung dengan jumlah udara di atasnya. Ketika udara bereda di titik tertinggi, semakin sedikit udara di atasnya. Hal inilah yang menyebabkan tekanan udaraya di dataran tinggi kecil. Berbanding terbalik dengan di dataran rendah.
Selain itu, tekanan udara dipengaruhi oleh suhu udara. Ketika suhu udara tinggi, molekul udara akan mengembang dan volume udara akan semakin besar. Ketika volume di uadara di atas suatu tempat tetap, massa udara total akan berkurang, beratnya pun juga berkurang, sehingga memengaruhi tekanan udara yang terjadi.
Rumus yang digunakan untuk menghitung massa jenis udara adalah :
𝞺 = massa jenis udara (kg/m3)
𝒑 = tekanan udara (hPa)
R spesifik = konstanta gas tertentu (J/kg·K)
T = suhu (K)
Perlu diketahui bahwa massa jenis yang dimiliki udara sangatlah berbeda dengan zat padat. Kayu atau besi mempunyai kerapatan yang pada dasarnya sama. Namun, udara tidak bisa disamakan dengan zat apa pun. Semakin tinggi udara yang ada di permukaan laut, semakin kecil pula massa jenis yang dimiliki udara. Hal tersebut dikarenakan adanya gaya gravitasi yang semakin berkurang di ketinggian. Gaya gravitasi akan semakin kecil ketika ketinggiannya semakin ke atas. Oleh sebab itu, jumlah udara yang mengalami penarikan juga akan berkurang.
Dibandingkan puncak gunung, jumlah udara yang ada di sekitar permukaan laut memang lebih banyak. Pada suatu ruangan yang memiliki volume sama, massa udara yang ada di sekitar laut lebih besar. Jadi massa jenis udara yang dimiliki juga lebih besar. Lain halnya udara yang ada di sekitar puncak gunung, massanya lebih kecil. Inilah yang menyebabkan massa jenis udara di sekitar puncak gunung juga lebih kecil.
Pada intinya, semakin jauh dengan permukaan laut maka massa jenis fluida atau udara juga semakin kecil. Udara pada dasarnya terdiri dari molekul atau atom yang terpisah, sehingga dapat dengan mudah bergerak. Hal inilah yang secara langsung membuat gaya gravitasi memengaruhi jumlah udara di suatu wilayah.
Lantas mengapa balon udara bisa terbang sampai tinggi? Balon udara bisa mengembang ke udara karena memiliki massa jenis dengan jumlah yang lebih kecil dibandingkan dengan massa jenis udara yang ada di sekitarnya. Prinsipnya sama dengan meniup balon. Saat meniup dengan menggunakan mulut, balon tidak akan bisa terbang. Namun, ketika ditiup dengan gas helium, balon bisa terbang. Hal tersebut dikarenakan udara yang berasal dari mulut adalah karbondioksida yang memiliki massa jenis sebesar 1,98 kg/m3, yaitu beratnya lebih besar dari massa jenis yang ada di udara, sedangkan helium hanya memiliki massa jenis 0,18 kg/m3. Udara sendiri memiliki massa jenis sebesar 1,2 kg/m3.
Faktor yang Memengaruhi Massa Jenis Udara
Setelah menyimak konsep dasar dari massa jenis udara. Selanjutnya kalian akan diajak untuk memahami beberapa hal yang mempengaruhi massa jenis udara tersebut. Setidaknya ada empat hal yang membedakannya dengan massa jenis lainnya.
1. Perbandingan Udara di Puncak Gunung dengan Permukaan Laut
Untuk kalian yang saat ini tengah mendalami materi fisika, tentu sudah paham betul konsep perbedaan massa jenis udara ketika di permukaan laut dengan di atas gunung. Dipengaruhi oleh faktor volume dan gravitasi, jumlah udara yang memenuhi permukaan air laut lebih tinggi dibandingkan area sekitar gunung. Hal ini mengakibatkan massa jenis udara di permukaan air laut lebih tinggi, karena berada dalam suatu ruangan yang memiliki volume sama. Kesimpulannya, semakin jauh dari permukaan laut, massa jenis udara atau fluida semakin rendah.
2. Perbedaan Udara dengan Zat Padat
Tak bisa disamakan dengan massa jenis zat padat. Untuk udara ada beberapa pertimbangan khusus ketika menentukan massa jenisnya. Jika kayu dengan besi bisa disamakan massa jenisnya karena termasuk ke dalam benda padat. Udara dasar penentuannya harus disesuaikan dengan tekanan gravitasi yang ada di bumi. Seperti yang sudah kalian ketahui bahwa semakin tinggi, gaya gravitasinya semakin rendah. Hal ini memengaruhi besaran massa jenis udara tersebut karena tingkat penarikannya semakin rendah.
3. Keterkaitan Balon Udara dengan Massa Jenis Udara
Pernahkah kalian meniup balon sebelumnya? Apa yang terjadi? Bisakah balon tersebut terbang setelah kalian meniupnya? Tentu saja jawabannya tidak. Namun, akan berbeda cerita jika kalian mengisi udaranya dengan gas helium seperti konsep balon udara.
Jika demikian, balon akan mudah untuk terbang di sela-sela udara. Hal ini tak lain disebabkan karena massa jenis balon (gas helium) lebih rendah dari massa jenis udara, sehingga balon dapat terbang, entah itu balon biasa atau balon udara. Namun, ketika kalian meniupnya langsung dari mulut, gas yang keluar adalah karbondioksida yang memiliki massa jenis lebih tinggi daripada udara. Itu sebabnya balon sulit untuk terbang memenuhi udara yang ada di ruangan.
4. Udara Terdiri Atas Molekul yang Terpisah
Tahukah kalian bahwa udara terdiri atas sekumpulan atom atau molekul-molekul yang terpisah? Hal inilah yang memudahkan pergerakan udara untuk memenuhi ruangan. Selain itu, hal tersebut juga menyebabkan udara memiliki tekanan yang berbeda-beda, terutama ketika dihadapkan dengan tinggi rendahnya gaya gravitasi. Dengan kata lain, gaya gravitasi mempengaruhi banyak tidaknya udara di suatu wilayah.
Cara Mengukur Massa Jenis Udara
Setelah kalian mengetahui konsep dasar dari massa jenis udara tersebut. Selanjutnya kalian juga harus memahami cara mengukur massa jenis udara tersebut. Terdapat alat yang bisa digunakan untuk mengukur massa jenis gas secara langsung, yakni density meter. Namun, jika kalian menginginkan pengukuran secara tidak langsung, bisa menggunakan bola kaca khusus yang berfungsi untuk menimbang gas atau siring jarum suntik yang dimodifikasi.
Langkah-langkah yang bisa kalian ikuti akan dijelaskan secara terperinci berikut ini.
- Kalian bisa menyiapkan ruang vakum dengan siring yang sudah terisi volume tertentu.
- Silakan timbang siring yang telah memiliki ruang vakum untuk mengetahui massanya.
- Selanjutnya pada bagian ruang vakum atau hampa, isikan jenis gas yang akan diukur massa jenisnya.
- Timbang kembali siring yang sudah terisi zat gas tertentu.
- Hitung massa gas dengan mengurangkan berat sebelum dan sesudah siring tersebut diisi jenis gas tertentu.
- Adapun untuk mengetahui volume gas, hitunglah volume ruang hampa yang ada pada siring tersebut.
Berdasarkan cara yang disebutkan di atas, penjelasan cara menghitung massa jenis udaranya dapat dijabarkan dalam contoh berikut ini. Misalnya, sebuah gas dengan jenis helium memiliki volume 100 ml dengan massa 0,017 gram. Berapa jumlah massa jenis gas tersebut? Menggunakan rumus ρ = m/v diperoleh hasil massa jenisnya adalah 0,00012 g/ml atau jika disederhanakan menjadi 1.2 g/liter.
Nah, itulah penjelasan singkat mengenai pengertian massa jenis udara dan faktor-faktor yang memengaruhinya. Ragam informasi mengenai konsep massa jenis udara tersebut semoga dapat menambah khazanah pengetahuan kalian. Hal lain yang masih relevan silakan kalian pelajari melalui situs yang sama. Semoga bermanfaat.
BACA JUGA:
