Viscositas

FLUIDA DAN VISCOSITAS HUBUNGAN FLUIDA DAN VISCOSITAS Didalam fluida yang tidak diidealisir terdapat aktivitas molekuler antara bagian-bagian lapisannya. Salah satu akibat dari adanya aktivitas ini adalah timbulnya gesekan internal antara bagian-bagian tersebut, yang dapat digambarkan sebagai gaya luncur diantara lapisan-lapisan fluida tadi. Hal ini dapat dilihat dari perbedaan kecepatan bergerak lapisan-lapisan fluida tersebut. Bila pengamatan dilakukan terhadap aliran fluida makin mengecil ditempat-tempat yang jaraknya terhadap dinding pipa semakin kecil, dan praktis tidak bergerak pada tempat di dinding pipa. Sedangkan kecepatan terbesar terdapat ditengah-tengah pipa aliran. Viscositas suatu fluida adalah sifat yang menunjukkan besar dan kecilnya tahan dalam fluida terhadap gesekan. Fluida yang mempunyai viscositas rendah, misalnya air mempunyai tahanan dalam terhadap gesekan yang lebih kecil dibandingkan dengan fluida yang mempunyai viscositas yang lebih besar. Gaya F dyne

Kecepatan V cm/detik A cm2

L cm A cm2 Gambar diatas merupakan 2 lapisan fluida sejajar dengan masing-masing mempunyai luas A cm2 dan jarak kedua lapisan L cm. Bila lapisan atas bergerak

sejajar dengan lapisan bawah pada kecepatan V cm/detik relatif terhadap lapisan bawah, supaya fluida tetap mempunyai kecepatan V cm/detik maka harus bekerja suatu gaya sebesar F dyne. Dari hasil eksperimen didapatkan bahwa gaya F berbanding lurus dengan kecepatan V, luas A dan berbanding terbalik dengan jarak L. Persamaannya :

F=

η.V . A L

η=

; η = Tetapan viscositas ( gr cm. det ik )

F .L V .A

Gejala ini dapat dianalisis dengan mengintrodusir suatu besaran yang disebut kekentalan atau viscositas (viscosity). Oleh karena itu, viscositas berkaitan dengan gerak relatif antar bagian-bagian fluida, maka besaran ini dapat dipandang sebagai ukuran tingkat kesulitan aliran fluida tersebut. Makin besar kekentalan suatu fluida makin sulit fluida itu mengalir. Viscositas suatu cairan murni atau larutan merupakan indeks hambatan alir cairan. Beberapa zat cair dan gas mempunyai sifat daya tahan terhadap aliran ini, dinyatakan dengan Koefisien Viscositas (ไ). Viscositas ialah besarnya gaya tiap cm2 yang diperlukan supaya terdapat perbedaan kecepatan sebesar 1 cm tiap detik untuk 2 lapisan zat cair yang parallel dengan jarak 1 cm. Viscositas dapat dihitung dengan rumus Poiseville.

η=

πΡR 4 Τ 8 LV

R = Jari-jari pipa dialiri cair (cm) T = Waktu alir (detik) P = Tekanan yang menyebabkan zat cair mengalir ( dyne

cm 2

)

V = Volume zat cair (liter) L = Panjang pipa (cm) η = Koefisien Viscositas (centipoise)

Makin besar kekentalannya, makin sukar zat cair itu mengalir dan bila makin encer makin mudah mengalir.

1

η

=Q

; Q = Fluiditas

Fluiditas yaitu kemudahan suatu zat cair untuk mengalir. Dari rumus diatas dapat dilihat bahwa Fluiditas berbanding terbalik dengan kekentalan (Koefisien Viscositas).

SIFAT DAN JENIS FLUIDA Fluida atau zat alir adalah zat yang dapat mengalir dan bentuknya selalu berubah dengan perubahan volume. Yang termasuk dalam kategori fluida adalah zat cair dan gas. Fluida mempunyai kerapatan yang harganya tertentu pada temperatur dan tekanan tertentu. Harga kerapatannya tergantung pada temperatur dan tekanan, apabila temperatur dan tekanan suatu fluida berubah maka kerapatannya akan berubah. Bagi zat cair kerapatannya tidak akan terpengaruh oleh perubahan temperatur dan tekanan, hal ini juga dinamakan fluida tidak dapat mampat (incompresible) sedangkan gas sangat dipengaruh oleh perubahan temperatur dan tekanan dan dikenal juga sebagai fluida dapat mampat (compresible). Jadi berdasarkan kerapatannya maka fluida dapat dibedakan sebagai berikut : 1. Fluida tidak dapat mampat (incompresible) 2. Fluida dapat mampat (compresible) Dan berdasarkan mekanika fluida, fluida dapat dibedakan menjadi 2 jenis :  Fluida tidak bergerak / dalam keadaan diam (statika fluida)  Fluida bergerak / dalam keadaan bergerak (dinamika fluida)

APLIKASI VISCOSITAS Viscositas digunakan dalam dunia industri sebagai alat untuk mengukur kekentalan dari suatu zat yang akan diuji baik berupa cairan maupun gas..

MACAM-MACAM VISCOSITAS Alat yang dipakai untuk menentukan Viscositas dinamakan Viscometer. Ada beberapa jenis Viscometer, diantaranya : a) Viscometer Ostwald b) Viscometer Lehman c) Viscometer bola jatuh dari Stokes.

A. VISCOMETER OSTWALD Cara penggunaannya : Jika air dipakai sebagai pembanding, mula-mula air dimasukkan melaui tabung A kemudian dihisap agar masuk ke tabung B tepat sampai batas a kemudian dilepaskan

dan

siapkan

stopwatch

sebagai

pengukur waktu. Umpamanya waktu yang diperlukan air untuk bergerak dari permukaan a sampai b sama dengan t1, setelah

itu

percobaan

diganti dengan zat cair lain dengan cara yang sama seperti disamping. Gambar Viscometer Ostwald

Umpamanya diperlukan t2 dengan menggunakan rumus Poiseville karena V, L dan R sama maka didapat persamaan

η1 Τγ = 1 1 η2 Τ2γ 2

; γ 1 = Massa jenis air

γ 2 = Massa jenis zat cair yang dicari Pada Ostwald yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah cairan tertentu untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh berat cairan itu sendiri, jadi waktu yang dibutuhkan oleh cairan untuk melalui batas “a” dan “b” dapat diukur menggunakan stop watch.

B. VISCOMETER LEHMAN Nilai viscositas Lehman didasarkan pada waktu kecepatan alir cairan yang akan diuji atau dihitung nilai viscositasnya berbanding terbalik dengan waktu kecepatan alir cairan pembanding, dimana cairan pembanding yang digunakan adalah air. Persamaannya adalah sebagai berikut :

η=

Tcairan Tair

C. VISCOMETER BOLA JATUH – STOKES Terhadap sebuah benda yang bergerak jatuh didalam fluida bekerja tiga macam gaya, yaitu :  Gaya gravitasi atau gaya berat (W). gaya inilah yang menyebabkan benda bergerak ke bawah dengan suatu percepatan.  Gaya apung (buoyant force) atau gaya Archimedes (B). arah gaya ini keatas dan besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda itu.  Gaya gesek (Frictional force) Fg, arahnya keatas dan besarnya seperti yang dinyatakan oleh persamaan :

Fg = k.V

; Fg = Gaya gesek

k = Konstanta V = Kecepatan benda ( m det ik ) Benda yang jatuh mempunyai kecepatan yang makin lama makin besar, tetapi dalam medium ada gaya gesek yang makin besar bila kecepatan benda jatuh makin besar. Benda yang bentuknya tidak beraturan dan rumit serta besar akan menghasilkan harga k yang besar. Fluida yang viscositasnya besar akan menghasilkan harga k yang besar pula.untuk benda yang berbentuk bola dengan jari-jari R dan fluida dengan viscositas

η

besarnya k dapat dinyatakan sebagai berikut ;

k = 6.π .η .R Hubungan ini diberikan oleh Stokes dan berlaku untuk aliran fluida yang laminer. Jika kedua rumus digabungkan, maka akan diperoleh gaya gesek ;

Fg = 6.π .η .R.V Alat ini terdiri dari sebuah tabung yang di bagian dinding luarnya diselubungi dengan air agar suhu di dalamnya konstan. Digunakan untuk menentukan Viscositas cairan yang kental tetapi yang tembus cahaya agar dapat mengamati jatuhnya bola peluru sampai ke dasar tabung.. menurut hokum Stokes :

2 gR 2 ( γ − γ 1 ) η= 9V

; η = Koefisien Viscositas (centipoise) R = Jari-jari bola (cm)

γ = Massa jenis bola peluru γ 1 = Massa jenis zat cair V = Kecepatan ( m det ik ) g = Kecepatan gravitasi ( m det ik ) 2

Hukum Stokes merupakan dasar viscositas bola jatuh. Viscositas ini terdiri atas gelas silinder dengan cairan yang akan diteliti dan dimasukkan kedalam termostat. Untuk mendapatkan viscositas cairan yang lebih teliti maka diperlukan cairan pembanding. Sebagai bahan pembanding dipakai air. Setelah tabung diisi air

lalu bola peluru dilepaskan dari permukaan a sampai dasar b dan waktu dicatat missal t1, kemudian percobaan diganti dengan zat cair x umpamanya diperlukan waktu t2.

Gambar Viscometer Bola Jatuh – Stokes

Dari kedua percobaan itu didapatkan persamaan ;

η 1 t1 ( γ − γ 1 ) = η 2 t2 (γ − γ 2 )

;

γ 1 = Massa jenis air

γ 2 = Massa jenis zat cair x

SIFAT ALIRAN DISEKITAR BENDA JATUH Untuk menentukan sifat aliran disekitar benda jatuh dapat dipakai ukuran besarnya Bilangan Reynolds dari aliran tersebut. Dalam hal ini ;

Re =

γ .L.V η

; η = Koefisien Viscositas (centipoise) Re = Bilangan Reynolds γ = Massa jenis bola peluru V = Kecepatan ( m det ik ) L = Panjang karakteristik benda (cm)

Aliran dikatakan aliran laminar apabila harga Re ≤ 1 . Apabila lebih harga Re lebih dari satu maka aliran ini akan mengalami transisi ke turbulen. Aliran turbulen memiliki harga Re lebih besar dari 10. PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP VISCOSITAS Viscositas merupakan besaran yang harganya tergantung terhadap temperatur. Pada kebanyakan fluida cair, bila temperatur naik viscositas akan turun, dan sebaliknya bila temperatur turun maka viscositas akan naik. Pada Dinyatakan dengan rumus Log η =

A + B T

; A dan B tetapan untuk cairan tertentu T = Temperatur mutlak

Rumus ini dapat dipakai untuk cairan murni, adapun rumus untuk sistem beberapa cairan adalah

Log η =

A + B ⋅ LogT + C T

; A, B dan C adalah tetapan

PENENTUAN KEKENTALAN (VISCOSITAS) Viscositas dapat diukur dengan mengukur laju aliran cairan yang melalui tabung berbentuk silinder, cara ini dapat digunakan untuk cairan maupun gas. Harga kekentalan mutlak sukar untuk ditentukan, dalam prakteknya yang dicari adalah kekentalan relatifnya yaitu perbandingan antara kekentalan zat itu dengan kekentalan zat cair lainnya (biasanya sebagai pembanding digunakan air). Besaran-besaran yang terkandung dalam hokum Stokes merupakan besaranbesaran yang secara teknis sudah ditentukan besarnya., kecuali harga η (koefisien viscositas)dan V (kecepatan benda). Oleh karena itu, terbuka kemungkinan untuk memanfaatkan hubungan ini untuk menentukan viscositas fluida, apabila dengan suatu harga V dapat ditentukan maka harga η dapat dihitung dari persamaan ;

2 gR 2 ( γ − γ 1 ) η= 9V

; η = Koefisien Viscositas R = Jari-jari bola (cm)

γ = Massa jenis bola peluru γ 1 = Massa jenis zat cair V = Kecepatan ( m det ik ) g

= Kecepatan gravitasi ( m det ik ) 2

Viscositas juga dapat dihitung dengan rumus Poiseville.

η=

πΡR 4 Τ 8 LV

R = Jari-jari pipa dialiri cair (cm) T = Waktu alir (detik) P = Tekanan yang menyebabkan zat cair mengalir dyne

cm 2

)

V = Volume zat cair (liter) L = Panjang pipa (cm) η = Koefisien Viscositas (centipoise)

(

Pengukuran viscositas yang tepat dengan menggunakan metode viscometer Ostwald atau hukum Poiseville sukar dicapai. Hal ini disebabkan karena harga R (jari-jari pipa) dan L (panjang pipa) sulit untuk ditentukan secara tepat, maka untuk menghindari hal itu digunakan cairan pembanding seperti air dan harga V (volume cairan), L (panjang pipa) dan R (jari-jari pipa)dianggap sama, maka didapat persamaan sebagai berikut ;

η1 Τγ = 1 1 η2 Τ2γ 2

; γ 1 = Massa jenis air

γ 2 = Massa jenis zat cair yang dicari