FISIKA TANAH LANJUT

1. FISIKA TANAH LANJUT • BKU PENGELOLAAN LAHAN, • PROG. STUDI ILMU TANAMAN • PASCA SARJANA UNSRI • DOSEN • SITI MASREAH BERNAS, PhD.

2. Buku Referensi Lal, R. dan M.K. Shukla, 2004. Principle of soil physics. Marcel Dekker, New York. 716p. (Buku Utama) Jury, W.A. and R. Horton, 2004. Soil physics. 2004. John Wiley and Sons. New Jersey. 370p. Hillel, D. 1982. Introduction to soil physics. Academic press. London. 364p.

3. Fisika Tanah Lanjut • Fisika Tanah : mempelajari sifat fisik tanah dan proses-proses yang terjadi di tanah, termasuk pengukuran dan prediksi yang berhubungan dengan bentuk-bentuk, antarrelasi, dan perubahan susunan tanah serta multipel fase. • Komponen di tanah adalah : bahan mineral, bahan organik, bahan cair, dan udara.

4. Fisika Tanah dan Pertanian Berkelanjutan Klimatologi Fisika, Kimia Fisik Hidrologi Mekanika Tnh Pemanfaatan tnh & Air berkelanjutan Fisika Tanah GIS, Pengindraan Jauh dsb Ekologi Ilmu Bumi Ilmu Tanaman Mesin Pertanian

5. Fisika tanah berperanan penting dalam : • Menahan sumber basa-basa tanah • Meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya tanah • Meminimalisasi resiko erosi & kerusakan tnh • Mempertahankan dan memperbaiki tanah rusak & ekosistem yg rusak • Meningkatkan produksi dengan memperbaiki tnh seperti kepadatan tanah, salinitas, aerase, draenase dsb.

6. Sifat fisik tnh dan proses yg mempengaruhi pertanian, teknik pengelolaan, dan fungsi lingkungan tanah

9. Komponen tanah • Bahan padat : • Bahan mineral dan • Bahan organik • Air • Udara

10. Sifat, fase dan komponen masing-masing bahan :

12. Tekstur Tanah atau Distribusi Besaran Partikel • Definisi merupakan perbandingan relatif dari butir-2 primer tanah (pasir, debu dan liat) yg dinyatakan dalam persen. • Ada 2 kelas tekstur di dunia yaitu berdasarkan : • USDA (Deaprtemen Pertanian USA). • ISSS (International Soil Science Society)

13. Tabel ukuran partikel tanah

14. Bentuk partikelnya lempeng atau seperti jarum disebut alumino silikat. • Merupakan butiran halus dan fraksi yg reaktif (bermuatan) Karena ukurannya sgt halus maka berupa koloidal, sangat reaktif, luas permukaan besar, dan muatan yang tinggi • Merupakan mineral liat sekunder Liat (clay) Mengandung juga butiran harus spt besi oksida (Fe2O3), al oksida (Al2O3), CaCO3, garam lain

15. Karena luas permukaan yg tinggi maka liat merupakan fraksi yang sangat mempengaruhi banyak sifat-2 tanah Seperti : Mudah menyerap air (terhidrasi), Mengembang dan mengkerut karena mempunyai sifat yg lempengan yg dapat mengembang,sifat plastis yg tinggi karena dapat mempertahankan bentuknya bila basah dan di uli, lekat bila basah dan retak bila kering, dan dapat dibentuk apa saja krn mempunyai sifat kohesif, muatan negatif yg tinggi shg dpt membentuk lapisan ganda elektrik.

16. Beberapa sifat fisik partikel tanah

17. Cara menilai sifat-2 fisik tanah: • Fraksi tanah (Tekstur): dengan memakai Hukum Stokes spt 1/2 d = 30ŋθ 980(ρs- ρt)

18. Luas permukaan spesifik • Banyak sifat-sifat tanah berhubungan dengan luas permukaan spesifik partikel (a) spt : • kapasitas tukar kation • Retensi dan bergerakan bahan kimia • Kapasitas mengembang/mengkerut • Plastisitas • Kohesi • Kekuatan tanah

19. Beberapa cara mengukur LPS: Berdasarkan berat am= A /Mm(m2/g) av=As/Vs(m2/m3) Berdasarkan volume ab=As/Vt (m2/m3) Berdasarkan vol total

20. Luas permukaan dpt juga dihitung berdasarkan bentuknya : Bentuk kubus maka luas Permukaan 6L, volume L3, Berat ρL3 Maka luas permukaan spesifik: am=6L2/ ρsL3 = 6/ ρsL Atau av= 6L2/L3 = 6/L Partikel bundar Diameter (D), kerapatan zarah (ρs), vol total (תּD3/6), berat תּD3, ρs/6, Total luas permukaan ( תּD2) am= תּD2 (תּD3- ρs) 6 = 6/(D- ρs) Av=תּD2/(תּD3)/6=6/D

21. Hubungan antara diameter dg luas permukaan 100 Log Luas permukaan (m2/g) am = 2.642/D*10-3m2/g.ρs = 2,65 g/m3 10 1,0 0,1 0,01 0,001 0,01 0,1 1,0 10 100 Diameter partikel (mm)

22. Sifat Muatan liat • Muatan total permukaan liat disebabkan oleh substitusi isomorfik dan perubahan lainnya disebut muatan berubah-ubah tergantung pH. • Hampir semua liat mempunyai muatan negatif tetapi tanah-tanah yg sudah melapuk lanjut juga mempunyai muatan positif.

23. Sifat muatan dan luas permukaan jenis mineral liat

24. Lapisan ganda elektrolit dan Potensi Zeta Terjadi bila partikel liat terhidrasi penuh, lalu muatan negatif diseimbangkan oleh muatan positif dari larutan tanah yg tertarik akibat Gaya Coulomb. + + + + + + + + + + + + Muatan negatif pada liat dan positif karena keseimbangan tsb menciptakan lapisan ganda elektrik (listrik) disekeliling liat. + + + + + + + + + + + + + + + + + Muatan negatif pada liat dalam keadaan kering Urutan ion utk terjerap adalah Al3>Ca+2>Mg+2>K+>Na+>Li+

25. Lapisan ganda elektrolit dan Potensi Zeta Muatan negatif pada liat dalam keadaan basah + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Tebal lapisan ganda listrik (U) merupakan jarak dari permukaan liat sampai ke konsentrasi kation mencapai uniform atau minimum, + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

26. Potensi Zeta Potensi Nernst Atau potensi total Potensi Zeta Lapisan Helmholtz Tetap (fixed) Lapisan Gouy (difusi)

27. Pengukuran • U = εKbT 1/2 • 8VCe2V2 e= muatan per cm2, d jarak (cm) dalam lapisan ganda, ε = konstan dielektrik (esu2/dynes.cm2), K= Boltzman Konstan, T temp Mutlak dalam Kalvin, V = valensi ion dibagian luar, maka U akan Berbanding terbalik dengan V dan C.

28. Kestabilan suspensi liat • Flokulasi atau koagulasi merupakan melekatnya partikel liat secara bersama dalam bentuk lepas dan kluster yg tidk beraturan. • Proses terjadinya bila partikel koloid bermuatan bertabrakan satu dengan lainnya dan melekat satu dengan lainnya sebagai akibat lapisan ganda elektrik. • Dispersity adalah sebaliknya yaitu kemampuan kation untuk memisahkan flokulat dan menyebabkan kolid tersebar di larutan. • Urusan dispersi : Li->Na>K>Rb+>Cs+

29. Lapisan liat yang terhidrasi secara penuh • Tingkat liat aktif yg tinggi (jarak antara partikel bermuatan lebih besar, spt montmorilonit, vermikulit) • Tingkat keaktifan liat rendah (jarak antara partikel bermuatan lebih kecil spt kaolinit)

30. Kemampuan liat utk mengembang dan mengkerut • Mengembang terjadi oleh terserapnya air atau larutan polar lainnya menyebabkan volumenya bertambah. • Kemampuan mengembang tergantung tipe mineral : • Mineral tipe 2:1 lebih besar kemampuan mengembangnya, secara berurutan sbb • Vermikuliy>mont>beidelit>illit>kaolinit>halloysit • Berdasarkan kation tertukar maka mengembang akan tergantung pada urutan • Li-> Na> K> Ca2+ =Ba+2 >H+

31. Hubungan antara mengembang dengan tipe liat dan pertukaran kation

32. Jerapan air pada koloid tanah • Kemampuan air untuk terjerap ke liat merupakan fungsi dari : • Luas permukaan • Kerapatan muatan • Keadaan kation di kompleks jerapan • Ukuran pori

33. Air bipolar maka akan terjerap spt - + - + - - + + -

34. Secara skematik jerapan air di tanah berpasir dan liat I Tanah liat Kelembaban relatif (%) 20 40 II Tanah pasir 60 III 80 Kadar air gravimetrik (%,g/g)

35. Pada waktu penjerapan air maka akan melepaskan panas • Air yang dijerap liat akan melepaskan energi, disebut panas pembasahan atau heat of wetting • Panas juga dilepaskan bila cairan lainnya dijerap di permukaan liat. • Panas dilepaskan biasanya lebih besar bila larutan polar drpada nonpolar • Panas juga tergantung pada luas permukaan liat , liat kaolinit tanpa permukaan dalam akan lebih rendah melepaskan panas dibanding montmorilonit yg punya permukaan dalam. • Panas pembasahan berkurang dengan meningkatnya kadar air di liat, • Dan bervariasi tergantung jenis kation pada kompleks jerapan, lebih besar bila kation bivalensi dibanding monovalensi. • Juga berkurang dengan berkurangnya ukuran liat, tetapi meningkatkan luas permukaan, meningkatnya KTK.

36. Air Tanah: Potensi & Kandungan air tanah • Kandungan air tanah mempengaruhi sifat-sifat tanah spt: • Konsistensi • Platisitas • Kekuatan • Kekompakan • Daya dipenetrasi • Kelekatan • Kemampuan menahan trafik • Pertumbuhan tanaman • Mengembang dan mengkerut • Kandungan gas dan pertukarannya • Aktifitas mikrobia • Keadaan kimia tanah (potensi oksidasi dan reduksi)

37. Kekuatan Tanah dan Pemadatan (Soil Strength & Compaction) • Sifat fisik yg penting karena berpengaruh : - thd alat2 yg digunakan - thd pertanian dan hasil • thd teknik civil seperti utk pembuatan jalan, dam, bangunan lainnya.

38. Model2 Rheology Dasar • Rheology mempelajari aliran dan derajat serta prinsip2 deformasi bahan tanah. • Ada beberapa model (rumus) rheology yang berhub dgn respon tanah disebut : • έ (strain atau deformation) • σ (tekanan) • Dari 2 model tersebut di kategorikan lagi dalam beberapa kelompok : dasar, kompleks, dan kombinasi.

39. Contoh2 Rumus • Rumus Hookean : Model linier utk bahan sangat elastis σ = K έ Dimana σ is unit tekanan (Psi, bar, Pa) K is konstan (unit tekanan) έ is rasio dimensionless

40. Rumus Newtonian : • menghub antara konstan strain (έ) dibawah tekanan yang digunakan (σ) • σ = K’ έ • Dimana έ = dέ /dt • K’ = konstan yng merup tekanan (bar) x waktu • Bila έ = 0 pada waktu (t = 0) maka rumus dapat ditulis sbb: • σ K” = έ

41. Contoh Rumus Kompleks • Rumus Kelvin merup kombinasi antara rms Hookean dan Newtonian. Dicirikan oleh bahan yang deformasi elastis dipengaruhi oleh waktu : • σ = σ Hookian + σ Newtonian • σ = K έ + K’ έ • σ /K’ = K έ/K’ + d έ/dt

42. Hubungan antara tekanan dan strain (respon bahan) • Rheologi tanah juga berhubungan dengan study kemampuan tanah untuk menahan tekanan tanpa retak atau rusak disebut kekuatan tanah (Soil strength) • Ini sebagai akibat gaya kohesi dan adhesi dan bervariasi tergantung kadar air. • (Contoh di praktikum)

43. Stress (Tension or compaction) adalah tenaga per satuan luas • Ada 2 stress (tekanan) : • 1. tekanan normal (σ) disebabkan oleh vektor gaya/tenaga lurus pada bidang datar area, • σ = Fn/A • Dimana Fn is tenaga yg digunakan pada area A • 2. tekanan tangensial atau tekanan gesekan (г): tekanan ini disebabkan oleh vektor tenaga yg paralel thd area yg di tekan, • г = Fn/A • Dimana Fn tangen gaya pada area A

44. Strain (respon tanah thd tekanan yg menyebabkan perubahan bentuk, secara prinsip ada 2 type: • Strain longitudinal (Δ) is perubahan relatif terhadap panjang (L) : • ε = ΔL/L • Tanah bisa mengecil atau megembang. • Strain Tangensial or Strain Gesekan (У) yg menunjukkan perubahan angular (persegi), • Y = u/h dimana u is perubahan lateral atau tangensial, h is tebal tanah dan u/h adalah tangen sudut perubahan bentuk, rumus ini untuk perubahan bentuk yg kecil <0.1%. • lihat Gbr 7.1.

45. Strain dan stress berdasarkan waktu • Strain secara longitudinal (έ) merupakan rerata perubahan strain secara longitudinal selama waktu tertentu (t), • έ = dε/dt = 1d(ΔL)/L dt. • Dimana e is perpanjangan or kontraksi per satuan waktu.

46. Elastisitas • Bahan elastis berubah bentuk secara spontan bila ada tekanan terhadapnya dan tetap dalam bentuk tersebut bila tekanan masih dipertahankan, akan kembali ke bentuk semula bila tekanan dilepaskan. • Contoh Karet atau plastik tetapi sedikit terjadi di tanah mineral dan ada di tanah gambut. • Contoh: Rumus Modul Young, Rasio Poisson, Modul Gesekan dst.

47. Rasio Poisson (v) • Rasio Poisson (PR) : -Δd/do - Δd/ΔL ----------- = ------------ ΔL/Lo do/Lo L = panjang, d = tebal bahan PR is perbandingan pertambahan panjang dari satu sisi sumbu ke terjadinya kontraksi pada sumbu lain. Karena itu nilainya 0 utk benda kaku (gabus) dan 0,49 untuk karet. Nilai PR untuk tanah tergantung total pori (ft) dan porimakro (fa). Tanah poreus nilainya rendah dan tanah liat mengembang/mengkerut nilainya tinggi.

48. Plastisitas • Plastisitas adalah sifat berubahnya bahan secara progresif bila ditekan dan bentuknya bertahan walaupun tekanan dihilangkan, ini yg sering terjadi di tanah. • Beberapa bahan sangat plastis sampai kurang plastis. Coba : Perhatikan pembuatan grabah?

49. Hubungan antara stress & strain di tanah : • dapat dilihat dari K.I. tanah di bawah hutan 0,8 ton/m3 tetapi setelah di olah menjadi 1,6 ton/m3 (Lal and Cummings, 1979). • Namun hubungan ini tidak seragam karena tanah tidak seragam proses terlibat sangat kompleks? • Tanah bukanlah elastis sempurna bukan juga bahan plastis sempurna. • Masih perlu banyak experiment

50. Kontras dengan sft elastis, plastis, bahan kental maka tanah dapat bersifat spt: • 1. Tnh elestoplastis yaitu bentuknya sebagian saja berubah bila tekanan di tiadakan. • 2. Tnh viskoelastis dimana perubahan bentuk tergantung waktu (lama) • 3. Banyak lagi hal-hal yang berhub dg itu termasuk pemadatan dan kekuatan tanah.