BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
LATAR BELAKANG
Pada kehidupan sehari-hari kita
kerap kali menjumpai zat-zat cair yang selalu ada di sekeliling kita, dan pada
setiap orang menyadari bahwa ada beberapa cara yang dapat menyebabkan suatu
cairan bisa mengalir lebih mudah dari pada zat -zat yang lainnya. Di dalam
proses pengukuran sifat zat cair dan kekentalannya maka sering dikaitkan dengan
metode dari Viskositas. Metode viskositas sendiri, berkaitan dengan
suatu keadaan atau fase viskeus, yakni fase yang berada di antara zat padat dan
zat cair yang terjadi sewaktu bahan padat menjadi lembek dan sebelum menjadi
cair sewaktu dipanaskan. Namun, tidak semua bahan dapat mengalami fase viskeus
sebelum menjadi cair. Karena dalam fase viskeus ini, mengalirnya suatu bahan
tidak leluasa seperti cairan karena adanya hambatan diantara bagian – bagiannya
atau diantara lapisan – lapisan dalam gerakan alirannya.
Viskositas juga membicarakan tentang
masalah gesekan yang terjadi antara bagian-bagian atau lapisan-lapisan pada
suatu cairan atau fluida pada umumnya, yang bergerak antara satu dengan yang
lain. Tentunya gesekan atau hambatan tersebut ditimbulkan oleh gaya
tarik-menarik antara molekul-molekul disatu lapisan dengan molekul-molekul
dilapisan lain. Gaya interaktif itu terutama ialah gaya elektrostatika, yaitu
gaya antara muatan-muatan listrik. Selain itu pada viskositas kita dapat
menentukan jumlah kekentalan dalam suatu zat padat, yang dalam kemanfaatna ini
nantinya kita dapat mengaplikasikan di dalam bidang pengolahan pangan.
Viskositas berhubungn dengan
besarnya gaya gesekan antar lapisan zat cair itu dan juga antar zat dengan
dinding pipanya. Fuida cair yang mengalir di dalam pipa, jenis alirannya dapat
berupa aliran laminar dan aliran turbulen. Fluida
Fluida
diklasifikasikan sebagai fluida Newton atau fluida bukan Newton. Dalam fluida
Newton terdapat hubungan linear antara besarnya tegangan geser yang diterapkan
dan laju perubahan bentuk yang diakibatkan, seperti yang ditunjukan Gambar 1.
Dalam fluida bukan-Newton terdapat hubungan tak linear antara besarnya tegangan
geser yang diterapkan dan laju perubahan bentuk sudut. Suatu plastik ideal
mempunyai hubungan linear yang konstan antara r dan du/dy
Gambar
1: Diagram Rheologi
1.2.
RUMUSAN MASALAH
Dari pemaparan latar belakang fluida
diatas maka dapat di Tarik kesimpulan rumusan masalah adalah sebagai berikut:
1.
Apakah
pengertian dari viskositas?
2.
Bagaimana
konsep dari viskositas?
3.
Bagaimana
mengukur viskositas?
4.
Apa
saja faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas?
5.
Apakah
pengertian dari fluida Newtonian dan fluida non-newtonian?
6.
Apakah
aliran laminar dan aliran turbulen?
1.3. MANFAAT PENULISAN MAKALAH
1. Mengetahui bagaimana anfaat
viskositas dalam dunia teknologi pertanian.
2. Mengetahui kekentalan dari suatu
bahan pangan.
3. Mengetahui viskositas secara umum
dan materi-materi yang dikandungnya.
4. Mengetahui konsep dari viskositas.
5. Mengetahui factor-faktor yang
memengaruhi viskositas.
6. Mengetahui konsep serta perbedaan
dari fluida Newtonian dan fluida non-newtonian.
7. Mengetahui pengertian, konsep dan
perbedaan aliran laminar dan aliran turbuen.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1.
PENGERTIAN VISKOSITAS.
Viskositas dapat dengan mudah dipahami dengan
meninjau satu lapisan tipis fluida yang ditempatkan di antara dua lempeng logam
yang rata. Satu lempeng bergerak (lempeng atas) dan lempeng yang lain diam
(lempeng bawah). Fluida yang bersentuhan dengan lempeng ditahan oleh gaya
adhesi antara molekul fluida dan molekul lempeng. Dengan demikian, lapisan
fluida yang bersentuhan dengan lempeng yang bergerak akan ikut bergerak,
sedangkan lapisan fluida yang bersentuhan dengan lempeng diam akan tetap diam.
Kekentalan adalah suatu sifat cairan yang berhubungan erat dengan
hambatan untuk mengalir, dimana makin tinggi kekentalan maka makin besar
hambatannya. Kekentalan didefenisikan sebagai gaya yang diperlukan untuk
menggerakkan secara berkesinambungan suatu permukaan datar melewati permukaan
datar lain dalam kondisi mapan tertentu bila ruang diantara permukaan tersebut
diisi dengan cairan yang akan ditentukan kekentalannya. Satuan dasar yang
digunakan adalah poise ( 1 poise = 100 sentipoise ).
Pengertian viskositas fluida (zat cair)
adalah gesekan yang ditimbulkan oleh fluida bergerak, atau benda padat yang
bergerak didalam fluida. Besarnya gesekan ini biasa juga disebut sebagai
derajat kekentalan zat cair. Jadi semakin besar viskositas zat cair, maka
semakin susah benda padat bergerak didalam zat cair tersebut. Viskositas dalam
zat cair, yang berperan adalah gaya kohesi antar partikel zat cair.
Viskositas dapat
dinyatakan sebagai tahanan aliran fluida yang merupakan gesekan antara
molekul-molekul cairan satu dengan yang lain. Suatu jenis cairan yang mudah
mengalir, dapat dikatakan memiliki viskositas yang rendah dan sebaliknya
bahan-bahan yang sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas tinggi. Sebagai
contoh, air memiliki viskositas rendah,
sedangkan minyak
sayur memiliki viskositas yang lebih tinggi.
Secara formal, viskositas
(diwakili oleh simbol η "eta") adalah rasio
dari tegangan geser (F / A)
dengan gradien kecepatan (v x Δ /
Δ z atau x dv / dz)
dalam fluida. Satuan SI untuk viskositas adalah yang kedua
pascal [Pa s], yang tidak memiliki nama khusus.
Viskositas juga adalah sebuah ukuran
penolakan sebuah fluida terhadap perubahan bentuk
di bawah tekanan
shear. Biasanya diterima sebagai
"kekentalan", atau penolakan terhadap penuangan. Viskositas
menggambarkan penolakan dalam fluida kepada aliran dan dapat dipikir sebagai
sebuah cara untuk mengukur gesekan fluida. Yang paling umum unit
viskositas adalah yang kedua dyne per sentimeter persegi dyne s [/ cm 2],
yang diberi nama poise [P] setelah
fisiologi Perancis Jean Louis Poiseuille (1799-1869). Sepuluh poise pascal sama
dengan satu detik [Pa s] membuat sentipoise [cP] dan [MPa kedua millipascal s]
identik.
1 pascal detik = 10
poise = 1,000 millipascal detik
1 sentipoise = 1 millipascal detik
1 sentipoise = 1 millipascal detik
Viskositas suatu
cairan murni atau larutan merupakan indeks hambatan alir cairan. Viskositas
dapat diukur dengan mengukur laju aliran cairan yang melalui tabung berbentuk
silinder. Cara ini merupakan salah satu cara yang paling mudah dan dapat
digunakan baik untuk cairan maupun gas.
Menurut hukum polsscuille, jumlah volume cairan yang mengalir melalui pipa
persatuan waktu rumus dengan persamaan:
Dimana:
η : viskositas cairan
v :
volume total cairan
t : waktu yang dibutuhkan
cairan dengan v mengalir melalui viscometer.
P : tekanan yang bekerja
pada cairan
R : jari-jari tabung
L : panjang pipa
(Catatan: Persamaan diatas juga berlaku untuk fluida gas)
Sebenarnya
ada dua kuantitas yang disebut viskositas. Kuantitas yang ditentukan di atas
kadang-kadang disebut viskositas dinamik, viskositas absolut atau viskositas
sederhana, untuk membedakannya dari kuantitas lain. Namun, biasanya hanya
disebut viskositas. Kuantitas lain disebut viskositas kinematik (diwakili oleh
simbol ν "nu") adalah rasio viskositas fluida untuk densitasnya.
Viskositas
Kinematik adalah ukuran dari arus resistif dari fluida di bawah pengaruh gravitasi.
Hal ini sering diukur dengan menggunakan perangkat yang disebut viskometer
kapiler - pada dasarnya adalah bisa lulus dengan tabung sempit di bagian bawah.
Bila dua cairan volume sama ditempatkan di viscometers kapiler identik dan
dibiarkan mengalir di bawah pengaruh gravitasi, cairan kental memerlukan waktu
lebih lama daripada kurang cairan kental mengalir melalui selang.
2.2.
KONSEP VISKOSITAS
Viskositas atau kekentalan merupakan gaya
gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Yang dimaksud dengan
fluida adalah gaya gesekan internal fluida (internal = dalam). Jadi
molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek menggesek ketika
fluida tersebut mengalir. Pada zat cair Viskositas disebabkan karena adanya
gaya kohesil (gaya tarik menarik antara molekul sejenis) sedangkan dalam zat
gas viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul.
Fluida
yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir contohnya adalah air. Sebaliknya
fluida yang lebih kental, lebih sulit mengalir, sebagai contoh minyak goreng,
oli, madu. Tingkat kekentalan suatu fluida juga tergantung pada suhu semakin
tinggi suhu zat cair, semakin kental zat cair tersebut. Perlu diketahui, bahwa
Viskositas atau kekentalan Cuma ada pada fluida riil. Yang dimaksud fluida riil
adalah fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Seperti air, sirup,
oli, asap knalpot.
2.3. KOEFISIEN VSKOSITAS
Viskositas
fluida dilambangkan dengan symbol h (eta). Jadi tingkat kekentalan suatu fluida dinyatakan oleh
koefisien viskositas bisa dinyatakan dengan persamaan. Lapisan fluida tipis
ditempatkan diantara dua pelat sejajar. Lapisan fluida tipis ditempatkan
diantara. Kohesi adalah gaya tarik menarik antara molekul tidak sejenis. Gaya
adhesi bekerja antara pelat dan lapisan fluida yang menempel dengan pelat
(molekul fluida dan molekul pelat saling tarik-menarik). Sedangkan gaya kohesi
bekerja diantara selaput fluida (molekul fluida saling tarik menarik).
Perubahan kecepatan lapisan fluida
(V) dibagi jarak terjadinya perubahan (ℓ) = V .
V dikenal dengan gradient kecepatan.
I
I
Pelat yang berada disebelah atas
dapat bergerak karena adanya gaya tarik menarik (F). Untuk fluida tertentu,
besarnya gaya tarik yang dibutuhkan berbanding lurus dengan luas fluida yang
menempel dengan pelat (A), laju fluida (V) dan berbanding terbalik dengan jarak
ℓ.
Secara
matematis dapat ditulis F ~
AV → (1).
ℓ
Tingkat kekentalan fluida dinyatakan
dengan koefisien Viskositas. Jika fluida makin kental maka gaya tarik yang
dibutuhkan juga makin besar. Dalam hal ini, gaya tarik berbanding lurus dengan
koefisien kekentalan. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :
F ~ h ® (2)
Disubstitusikan
persamaan 1 ke persamaan ke 2
F ~ h AV → (3)
ℓ
Persamaan
3 dapat ditulis sebagai berikut :
F = h AV
ℓ
F.ℓ = h AV
h
= Fℓ
AV
Dengan
:
h = Koefisien Viskositas (Ns/m2) = Pa . S
F = Gaya
ℓ = Jarak
A = Luas Permukaan
V = Laju
~ = Sebanding
Persamaan Poiseuille
Persamaan
Poiseuille ini kita turunkan menggunakan bantuan persamaan koefisien Viskositas
yang telah diturunkan sebelumnya. Ketika menurunkan persamaan koefisien
Viskositas, terlebih dahulu meninjau aliran lapisan fluida riil antara 2 pelat
sejajar dan fluida tersebut bisa bergerak karena gaya tarik (F).
F = h AV
ℓ
Karena fluida bisa mengalir akibat
adanya perbedaan tekanan (fluida) mengalir dari tempat yang tekanannya tinggi
ke tempat yang tekanannya rendah, maka F diganti dengan
P1 – P2 (P1 ) P2)
. (P1 – P2) = h AV …………… (i)
ℓ
Pada
percobaan bola kecil dijatuhkan ke dalam cairan yang hendak di ukur angka
kekentalannya. Bola tersebut mula-mula akan mengalami percepatan karena gaya
beratnya. Tetapi karena sifat kekentalan cairan besar, percepatan ini makin
berkurang dan akhirnya nol. Pada saat tersebut, kecepatan ini makin berkurang
dan disebut “Kecepatan Terminal”. Hubungan antara kecepatan terminal dengan
angka kekentalan dapat diperoleh dari Hukum Stokes :
Vm = 2r2g (r - r0)……………. (1)
h
Dimana : Vm = Kecepatan terminal
(cm/at)
h
= Angka kekentalan
r = Jari-jari bola
g = Percepatan gravitasi bumi (cm/at2)
r = Rapat massa
bola (gr/cm3)
r0 = Rapat massa cairan
(gr/cm3)
Pada persamaan
1 dianggap bahwa diameter tabung relatif sangat besar dibanding dengan diameter
bola. Bila perbandingan kedua diameter tersebut tidak terlalu besar perlu
ditambah faktor koreksi terhadap persamaan tersebut, yaitu
F = ( 1 + 2,4 r )
R
Dengan : r = Jari-jari tabung bagian
dalam
R = 1,76 cm
Sehingga persamaan 1 menjadi
h = m (r
. r0)
.....................
(2)
F.Vm
Dengan : F = (1 + 1,36 r)
m = 2
g
Dengan demikian bila harga r dan r0
diketahui, sedangkan harga r dan Vm diukur, maka harga h dapat dari persamaan 2.
Ketika
menurunkan persamaan koefisien viskositas, kita meninjau aliran lapisan fluida
riil antara 2 pelat sejajar. Setiap bagian fluida tersebut mengalami perubahan
kecepatan teratur sejauh ℓ. Untuk kasus ini laju aliran fluida mengalami
perubahan secara teratur dari sumbu tabung sampai ke tepi tabung. Fluida yang
berada di sumbu tabung mengalir dengan laju (V) yang lebih besar semakin ke
pinggir, laju fluida semakin kecil. Jari-jari tabung = jarak antara sumbu
tabung dengan tepi tabung = R. Jarak antara setiap bagian fluida dengan tepi
tabung = r. Karena jumlah setiap bagian fluida itu sangat banyak dan jaraknya
dari tepi tabung juga berbeda-beda, maka kita cukup menulis :
V1 =
Laju fluida yang berada pada jarak r1 dari tepi tabung (r1
= R)
V2
= Laju fluida yang berada pada jarak r2 dari tepi tabung (r2
< r1)
V3 =
Laju fluida yang berada pada jarak r3 dari tepi tabung (r3
< r2 < r1)
V4
= Laju fluida yang berada pada jarak r4 dari tepi tabung (r4
< r3 < r2 < r1)
Vn = Laju
fluida yang berada pada jarak rn dari tepi tabung (rn < ….. r4 < r3 < r 2
< r1).
Jumlah
setiap bagian fluida sangat banyak dan kita juga tidak tahu secara pasti berada
jumlahnya yang sebenarnya, maka cukup ditulis dengan symbol n. Setiap bagian
fluida mengalami perubahan laju (V) secara teratur, dari sumbu tabung (r1
= R) sampai tepi tabung (rn). Dari sumbu tabung (rn) laju
setiap bagian fluida makin kecil (V1 > V2 > V3 > V4 ….. > Vn). Cara praktis untuk menentukan terjadinya persamaan
perubahan laju aliran fluida riil dalam tabung adalah menggunakan kalkulus.
Dari penjelasan diatas mempunyai gambaran bahwa dari R ke rn, laju
fluida semakin kecil
* Panjang pipa = L, maka akan diperoleh persamaan :
(P1 – P2)
= h V DL
……………….. (ii)
(R2 – r2)
Karena
yang kita tinjau adalah laju (V) aliran fluida, maka persamaan 2 menjadi
h DL = (P1 – P2) (R2 – r2)
V = (P1 – P2) (R2
– r2)
4 hL
V = (R2 – r2) (P1
– P2) …………… (iii)
4h
L
Persamaan laju aliran fluida pada
jarak r dari pipa yang berjari-jari R. Perlu diketahui bahwa fluida mengalir
dalam pipa, sehingga perlu meninjau laju aliran volume fluida tersebut.
2.4. PENGUKURAN VISKOSITAS
Peralatan untuk mengukur viskositas
disebut viscometer. Terdapat berbagai jenis viscometer yang berbeda,
tetapi, karena sasaran makalah ini adalah untuk membuktikan prinsip-prinsip
tertentu dari hidrolika, bukan untuk menjelaskan permesinan hidrolik dan
peralatannya, makahal ini dapat dicari pada sumber lain. Untuk mempermudah,
disebutkan beberapa cara untuk menentukan µ, yaitu:
a.
Dengan viscometer torsi
Rumus R
= µA dipakai pada silinder konsentris
b.
Dengan viscometer Ostwald
Pada
viscometer Ostwald yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah
tertentu cairan untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan
oleh berat cairan itu sendiri. Pada percobaan sebenarnya, sejumlah tertentu
cairan (misalnya 10 cm3, bergantung pada ukuran viscometer) dipipet kedalam
viscometer. Cairan kemudian dihisap melalui labu pengukur dari viscometer
sampai permukaan cairan lebih tinggi daripada batas a. cairan kemudian
dibiarkan turun ketika permukaan cairan turun melewati batas a, stopwatch mulai
dinyalakan dan ketika cairan melewati tanda batas b, stopwatch dimatikan. Jadi
waktu yang dibutuhkan cairan untuk melalui jarak antara a dan b dapat
ditentukan. Tekanan ρ merupakan perbedaan antara kedua ujung pipa U dan
besarnya disesuaikan sebanding dengan berat jenis cairan.
Berdasarkan
hokum Heagen Poisuille :
Dimana
:
p = tekanan
hidrostatis
r = jari-jari
kapiler
t = waktu
aliran zat cair sebanyak volume V dengan beda tinggi h
L = panjang
kapiler
Untuk
air :
Ŋair
= πρr4 . ta . pa.g.h / ( 8VL)
Secara
umum berlaku :
Ŋx
= πρr4 . tx . px.g.h / ( 8VL)
Jika
air digunakan sebagai pembanding, maka :
Ŋx
/ ŋair = tx.ρx / taρa
Gambar
2 : viscometer Ostwald Gambar 3: bagan viscometer Ostwald
c.
Dengan hokum stokes bola jatuh.
Ff =
6πrη Rumus
Stokes:
Dimana F
adalah hambatan yang dialami oleh bola sangat kecil dengan jari-jari r yang
jatuh bebas melalui cairan yang viskositasnya µ dengan keceptan v. Rumus
Stokes hanya berlaku bila Reynolds untuk aliran kurang dari (sekitar) 1,
bilangan Reynolds didefinisikan sebagai :
Dimana d
adalah diameter dari bola. Dengan kata lain, rumus Stokes hanya berlaku pada
kecepatan sangat kecil, tetapi bagaimana kecilnya juga tergantung
pada v dan d.
Arti dari
bilangan Reynolds kritis Re = 1 , adalah bahwa Re 1 aliran melalui
bola adalah viskos dan hambatan pada gerakan adalah hambatan viskos, dimana
pada Re 1 aliran melalui bola adalah turbulen dan hambatan pada
gerakan adalah campuran dari gesekan dan hambatan bentuk akibat aliran
turbulen.
Gambar 4 :
gaya yang bekerja pada saat bola dengan kecepatan tetap.
d.
Viscometer Cup dan Bob
Prinsip
kerjanya sampel digeser dalam ruangan antara dinding luar Bob dan dinding dalam
dari cup dimana bob masuk persis ditengan-tengah. Kelemahan viscometer ini adalah
terjadinya aliran sumbat yang disebabkan gesekan yang tinggi disepanjang
keliling bagian tube sehingga menyebabkan penemuan konsentrasi. Penurunan
konsentrasi ini menyebebkan bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal
ini disebut aliran sumbat (Bird, 1993).
e.
Viscometer Cone dan Plate
Cara
pemakaiannya adalah sampel yang ditempatkan di tengah-tengah papan, kemudian
dinaikkan hingga posisi dibawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan
bermacam kecepatan dan sampelnya digeser didalam ruang sempit antara papan yang
diam dan kemudian kerucut yang berputar (Bird, 1993).
f.
Viscometer hoppler
Pada
viscometer ini yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah bola logam
untuk melewati cairan setinggi tertentu. Suatu benda karena adanya gravitasi
akan jatuh melalui medium yang berviskositas (seperti cairan misalnya), dengan
kecepatan yang semakin besar sampai mencapai kecepatan maksimum. Kecepatan
maksimum akan tercapai bila gravitasi sama dengan fictional resistance medium
(Bird,1993).
Berdasarkan
hokum stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga : gaya
gesek = gaya berat, gaya Archimedes :
6πrVmax =
4/3 r3 (ρbola – ρcair) g
Ŋ
= { 2/g r3 (ρbola – ρcair) g } / Vmax
Vmax =
h / t
Dimana
:
t
= waktu jatuh bola pada ketinggian h
Dalam
percobaan ini dipakai cara relative terhadap air, harganya :
Ŋa
= [ 2/g r2 (ρa – ρ1) g ta ] / h
Ŋx
= [ 2/g r2 (ρx– ρ1) g tx ] / h
Ŋx/
Ŋa = [ (ρx – ρ1) g tx ] / [ (ρa – ρ1) g ta ]
2.5.
FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI VISKOSITAS
Faktor-faktor
yang mempengaruhi viskositas :
1.
SUHU
Viskositas
berbanding terbalik dengan suhu. Jika suhu naik maka viskositas akan turun, dan
begitu sebaliknya. Hal ini disebabkan karena adanya gerakan partikel-partikel
cairan yang semakin cepat apabila suhu ditingkatkan dan menurun kekentalannya.
2.
KONSENTRASI
LARUTAN
Viskositas
berbanding lurus dengan konsentrasi larutan. Suatu larutan dengan konsentrasi
tinggi akan memiliki viskositas yang tinggi pula, karena konsentrasi larutan
menyatakan banyaknya partikel zat yang terlarut tiap satuan volume. Semakin
banyak partikel yang terlarut, gesekan antar partikrl semakin tinggi dan
viskositasnya semakin tinggi pula.
3. BERAT MOLEKUL SOLUTE
Viskositas
berbanding lurus dengan berat molekul solute. Karena dengan adanya solute yang
berat akan menghambat atau member beban yang berat pada cairan sehingga
manaikkan viskositas.
4. TEKANAN
Semakin tinggi tekanan maka semakin
besar viskositas suatu cairan
5. KEHADIRAN ZAT LAIN
Penambahan gula tebu meningkatkan
viskositas air. Adanya bahan tambahan seperti bahan suspensi menaikkan
viskositas air. Pada minyak ataupun gliserin adanya penambahan air akan
menyebabkan viskositas akan turun karena gliserin maupun minyak akan semakin encer,
waktu alirnya semakin cepat.
6.
UKURAN DAN
BERAT MOLEKUL
Viskositas naik dengan naiknya
berat molekul. Misalnya laju aliran alkohol cepat, larutan minyak laju
alirannya lambat dan kekentalannya tinggi seta laju aliran lambat sehingga
viskositas juga tinggi.
7. BERAT MOLEKUL
Viskositas akan naik jika ikatan rangkap semakin
banyak.
8. KEKUATAN ANTAR MOLEKUL
Viskositas air naik denghan adanya
ikatan hidrogen, viskositas CPO dengan gugus OH pada trigliseridanya naik pada
keadaan yang sama.
Fluida diklasifikasikan
sebagai fluida Newtonian dan non-Newtonian. Dalam
fluida Newtonian terdapat
hubungan linear antara besarnya tegangan geser yang
diterapkan dan laju perubahan bentuk yang
diakibatkan. Namun, apabila hubungannya
tak linear maka disebut non-Newtonian. Gas dan
cairan encer cenderung bersifat fluida
Newtonian sedangkan
hidrokarbon berantai panjang yang kental mungkin bersifat non-Newtonian.
Gambar 5: Grafik fluida Newtonian
dan non-Newtonian
2.6. FLUIDA NEWTONIAN
Fluida
Newtonian (istilah yang diperoleh dari nama Isaac Newton) adalah suatu fluida yang memiliki
kurva tegangan/regangan yang linier.
Yang di golongkan dalam fliuda ini
antara lain : air, udara, ethanol, benzene dsb. Fluida Newtonian akan terus
mengalir sekalipun terdapat gaya yang bekerja pada gaya tersebut. Viskositas
akan berubah jika terjadi perubahan suhu dan tekanan. Dengan kata lain fluida
yang mengikuti hukum newton tentang aliran dan dapat ditulis dengan persamaan
berikut ini:
Viskositas pada fluida Newtonian
secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak
bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat
inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan
yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah
di mana
2.7.
FUIDA NON – NEWTONIAN
Fuida
non-Newtonian adalah suatu fluida yang akan mengalami perubahan viskositas ketika terdapat
gaya yang bekerja pada fluida tersebut. Hal ini menyebabkan fluida
non-Newtonian tidak memiliki viskositas yang konstan. Berkebalikan dengan fluida non-Newtonian,
pada fluida Newtonian viskositas bernilai konstan sekalipun terdapat gaya yang
bekerja pada fluida. Selain itu, Fluida
Non-Newtonian juga adalah fluida yang
tidak tahan terhadap tegangan geser (shear stress), gradient kecepatan (shear
rate) dan temperature. Dengan kata lain viskositas merupakan fungsi dari pada
waktu.
Model pendekatan fluida non –
Newtonian
a. Pseudoplastik
Pseudoplastik adalah suatu model pendekatan fluida Non-Newtonian di mana
viscositasnya cenderung menurun tetapi shear stress dari fluida ini akan
semakin meningkat. Contoh fluida ini adalah vinil acetate/ vinylpyrrolidone
co-polymer (PVP/PA).
b. Dilatant
Dilatant
adalah suatu model pendekatan fluida Non-Newtonian di mana viscositasnya dan
shear stress dari fluida ini akan cenderung mengalami peningkatan. Contoh dari
fluida jenis ini adalah pasta.
fluida Non-Newtonian dapat digolongkan dalam 5
golongan besar yaitu :
1.
Bingham
Fluid Model
Persamaan
tegangan geser fluida untuk Bingham Fluid model dapat dituliskan sebagai
berikut :
dengan syarat
:
jika :
Jenis material yang mengikuti persamaan ini disebut
Bingham Plastik. Contoh fluida Bingham Plastik antara lain :
,
,
dan
2.
Ostwald De
Waele Model
Persamaan tegangan geser fluida untuk Ostwald De Waele model adalah :
persamaan ini
memiliki 2 parameter juga dikenal sebagai hukum daya (power Law). Untuk n = 1,
maka persamaan akan direduksi menjadi persamaan hukum Newton untuk viskositas
dengan m =
. contoh fluida yang mengikuti persamaan Ostwald De Waele
antara lain : campuran pulp kertas dengan air, campuran semen dengan air dan
sebagainya.
3.
Eyring Model
Persamaan tegangan geser fluida
untuk fluida Erying model adalah sebagai berikut :
fluida yang mengikuti persamaan Erying model
disebut fluida Pseudoplastik.
4.
Ellis Model
model ini
memiliki 3 parameter yang dapat diatur yaitu
,
dan
. Contoh Fluida yang memenuhi kriterial Ellis Model antara
lain : Carbon Methil Cellulose (CMC) yang dilarutkan ke dalam air.
5.
Reiner –
philoppoff Model
Persamaan tegangan geser fluida untuk fluida Reiner-Philippoff model
sebagai berikut :
Contoh fluida
yang mengikuti persamaan Reiner-Philippoff model adalah cairan belerang, 30,4%
metanol dalan hexana, Cholesterol butirat dan Polistirene dalam tetralin.
Gambar 6 . perbandingan kurva tegangan geser dengan
gradien kecepatan untuk jenis-jenis
fluida
Klasifikasi dari fludia non-Newtonian
|
Tipe Fluida
|
Perilaku
|
Karakteristik
|
Contoh
|
|
Plastic padat
|
Plastik sempurna
|
Tegangan tidak menghasilkan regangan yang berkebalikan
|
|
|
Plastik bingham
|
Tegangan geser dan regangan memiliki hubungan linier bila batas
tegangan geser mulai berpengaruh terlampaui
|
|
|
|
Yield pseudo-plastik
|
Pseudo-plastik yang melampaui beberapa batas tegangan geser mulai
berpengaruh
|
||
|
Yield dilatan
|
Dilatant yang melampaui beberapa batas tegangan geser mulai
berpengaruh
|
|
|
|
Fluida Eksponensial
|
Pseudoplastik
|
Pengurangan viskositas terlihat dengan jelas dengan
adanya peningkatan gaya geser
|
Beberapa koloid,
tanah liat,
susu,
gelatin,
darah |
|
dilatant
|
Peningkatan viskositas terlihat dengan jelas dengan
adanya peningkatan gaya geser
|
||
|
Kombinasi linier "seri" dari efek elastis dan viskos
|
logam,
material komposit |
||
|
fluida Oldroyd-B
|
kombinasi linier dari perilaku Maxwell dan Newtonian
|
|
|
|
Kombinasi linier "paralel" efek elastis dan viskos
|
|||
|
Anelastis
|
Material kembali ke bentuk awal bila gaya yang bekerja dihilangkan
|
|
|
|
Viskositas yang bergantung waktu
|
Peningkatan viskositas terlihat dengan jelas seiring
dengan lama durasi tegangan
|
Beberapa lubrikan |
|
|
tiksotropik
|
Penurunan viskositas terlihat dengan jelas seiring
dengan lama durasi tegangan
|
2.9. ALIRAN DALAM FLUIDA
o
Aliran Laminar
Aliran
laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam
lapisan-lapisan, atau lamina-lamina dengan satu lapisan yang meluncur secara
merata. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam
kecenderungan-kecenderungan terjadinya gerakan relatife antaralapisan. Sehingga
aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton. dalam pipa tertutup dengan
arah aksial.
Aliran laminar Merupakan aliran yang jarang terjadi
pada air dan tidak begitu penting dalam aliran udara, tapi ini terjadi dalam
viscosity fluida yang tinggi seperti campuran sediment dalam air, es, &
lava.
Alirannya relatief mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak sejajar (laminae) & mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida.
Aliran laminar adalah aliran fluida tanpa arus turbulent ( pusaran air ). Partikel fluida mengalir atau bergerak dengan bentuk garis lurus dan sejajar. Laminar adalah ciri dari arus yang berkecepatan rendah, dan partikel sedimen dalam zona aliran berpindah dengan menggelinding (rolling) ataupun terangkat (saltation).
Alirannya relatief mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak sejajar (laminae) & mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida.
Aliran laminar adalah aliran fluida tanpa arus turbulent ( pusaran air ). Partikel fluida mengalir atau bergerak dengan bentuk garis lurus dan sejajar. Laminar adalah ciri dari arus yang berkecepatan rendah, dan partikel sedimen dalam zona aliran berpindah dengan menggelinding (rolling) ataupun terangkat (saltation).
Gambar 7. Distribusi kecepatan aliran
laminar
pada pipa tertutup
Gambar 8. Gambar aliran laminar terbuka.
o
ALIRAN TURBULEN
Aliran
acak dan mempunyai kecepatan beraneka ragam. Aliran ini terjadi di air dan
udara. Aliran ini lebih efficient dalam mengangkut dan menjalankan sediment
karena beranekaragamnya gradient kecepatannya.
Pada
arus turbulen, massa air bergerak keatas, kebawah, dan secara lateral
berhubungan dengan arah arus yang umum, memindahkan massa dan momentum. Dengan
gerakan tidak beraturan seperti itu, massa atau gumpalan fluida akan mempunyai
percepatan menyimpang yang hanya sedikit persentasinya dari kecepatan
rata-rata, meskipun begitu arus turbulen bersifat menentukan arus, sebab
turbulen menjaga patikel-partikel dalam suspensi, secara konstan, seperti clay
dan silt pada sungai dan pasir pada arus turbidit, atau secara berangsur,
seperti pada kebanyakan butir pasir di sungai, pantai dan bukit pasir.
Turbulen
mentransport partikel-partikel dengan dua cara; dengan penambahan gaya fluida
dan penurunuan tekanan lokal ketika pusaran turbulen bekerja padanya. Keduanya
adalah penyebab terjadinya transportasi pasir sepanjang bawah permukaan. Di
alam hampir semua mekanisme transport pasir terjadi secara turbulen.
Turbulen
terutama terjadi di sungai akibat penggerusan sepanjang batas arus air, dan
meningkat akibat kekasaran bawah permukaan; sepanjang garis pantai dan laut
penyebabnya adalah ombak, tekanan angin permukaan, dan penggerusan arus. Di
udara turbulen yang membawa bekas ledakan volkanis ditransport angin. Besarnya
gerakan turbulen bervariasi dari mikro hingga makro, yang terakhir tadi sangat
mudah dilihat di sungai dengan penampakkan pusaran yang kompleks atau dengan
boil yang berbenturan dengan permukaan sungai, secara terus menerus.
Gambar
9. Distribusi kecepatan aliran
turbulen
Gambar
10. Aliran turbulen terbuka.
o
BILANGAN
REYNOLD
Bilangan Reynold digunakan
untukmenentukan sifat pokok aliran, apakah aliran tersebut laminar, transisi
atau turbulen. Osborne Reynold telah mempelajari untuk mencoba
menentukan bila dua situasi aliran yang berbeda akan serupa secara dinamika
bila memenuhi :
1.
Kedua aliran tersebut serupa secara geometric, yakni ukuran-ukuran linier yang
bersesuaian mempunyai perbandingan konstan.
2.
Garis-garis aliran yang bersesuaian adalah serupa secara geometric, atau
tekanan-tekanan di titik-titik yang bersesuaian memiliki perbandingan konstan.
Dalam
menyimak dua situasi aliran yang serupa secara geometric, Reynold menyimpulkan
bahwa aliran-aliran tersebut akan serupa dinamik jika persamaan-persamaan
diperensial umum yang menggambarkan aliran-aliran tersebut indentik.
.
Re = VDρ
µ ……..(1)
v = µ
ρ ………(2)
Dengan mensubtitusikan
persamaan (1) Kedalam persamaan (2) maka akan didapat:
Re = vD
v
Dengan :
V = Kecepatan fluida
yang
mengalir (m/s)
D = Diameter dalam pipa
(m)
ρ =
Massa jenis fluida (kg/m3)
μ = Viskositas dimakim
fluida
(Pa.s)
υ = Viskositas
kinematik (Pa)
BAB III
PENUTUP
3.1. KESIMPULAN
1. Viskositas adalah ukuran hambatan
aliran yang ditimbulkan fluida bila fuida tersebut mengalami tegangan geser.
Biasanya diterima sebagai “kekentalan”, atau penolakan terhadap penuangan.
Viskositas menggambarkan penolakan dalam fluida kepada aliran dan dapat dipikir
sebagai sebuah cara untuk mengukur gesekan fluida.
2. Konsep viskositas adalah fluida,
baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan
yang berbeda. Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan
antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Jadi molekul-molekul yang
membentuk suatu fluida saling gesek-menggesek ketika fluida fluida tersebut
mengalir. Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya
tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas
disebabkan oleh tumbukan antara molekul
3. Metode pengukuran viskositas yaitu
viscometer torsi, viscometer kapiler/Ostwald, viscometer Hoppler,
viscometer cup dan bob, dengan hokum stokes untuk bola jatuh dan
viscometer cone dan plate.
4. Faktor-faktor yang mempengaruhi
viskositas yaitu suhu, tekanan, konsentrasi larutan, dan berat molekul solute.
5. Aliran
laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam
lapisan-lapisan, atau lamina-lamina dengan satu lapisan yang meluncur secara
merata.
6. Aliran Turbulen adalah Aliran acak
dan mempunyai kecepatan beraneka ragam.
DAFTAR PUSTAKA
1.
Budianto
anwar. 2008. Metode Penentuan Koefisien Kekentalan Zat Cair Dengan Menggunakan
Regresi Linear Hukum Stoke . yokyakarta.
2.
Hermawati
Maria Yeni Dkk. 2013. Uji Viskositas Fluida Menggunakan Transduser Ultrasonik
Sebagai Fungsi Temperatur dan Akuisisinya Pada Komputer Menggunakan Universal Serial Bus (USB). Bandar
lampung
3.
Muhajir
Khairul. 2011. Pengaruh Viskositas Terhadap Aliran Fluida Gas – Cair Melalui
Pipa Vertikal Dengan Perangkat Lunak Ansys Fluent 13.0. Yogyakarta.
4.
Jati
Bambang Murdaka Dkk. 2010. Penyetaraan Nilai Viskositas Terhadap Indeks Bias
Pada Zat CAir Bening. ISSN:1410 – 9662. Yogyakarta.
5.
Irwansyah
Roby. 2010. Karakteristik Aliran Lumpur (Mud Slurry) pada pipa 1 Inchi.
6.
Setiawan
Didik. 2008. Hambatan Gesek Fluida. Jakarta.
(diakses pada tanggal 9 oktober 2014,
pukul 13:25 WIT)
(diakses pada tanggal 9 oktober,
pukul 13:30 WIT)
9.
Bird,
Stewart, dan Light Foot. 1960. Transport Phenomena. New York: John Wiley &
sons, Inc.
(diakses pada 11 oktober 2014, pukul
20:13 WIT)
11.
http://id.wikipedia.org/wiki/fluida
_non-Newtonian.
(diakses pada 11 oktober 2014, pukul
20:30 WIT)
