AMALI 4

TEKNOLOGI ZARAH

(KKKR 3633)

GERAKAN SFERA DALAM

CECAIR

ABSTRAK :

Ujikaji ini bertajuk gerakan sfera dalam cecair di mana ia bertujuan untuk

menentukan kelikatan cecair pada suhu bilik dengan mengukur kadar kejatuhan bebola di

dalam cecair. Cecair gliserol digunakan dan dimasukkan dalam satu tanunh silinder yang

besar. Empat jenis saiz zarah iaitu saiz zarah sfera A, B, C, D dan E akan digunakan.

Setiap jenis saiz zarah diambil tiga kali dan sampel-sampel tersebut dijatuhkan ke dalam

silinder panjang yang berisi dengan gliserol. Masa dicatatkan bagi ketinggian tertentu dan

halaju tamatan dikira. Kemudian, pekali seretan, nombor Reynold dan kelikatan gliserol

dikira dengan menggunakan formula-formula daripada teori.

Daripada data yang dicatatkan, suatu graf halaju melawan masa di tengah segmen

diplotkan. Halaju tamatan ataupun halaju terminal diperolehi daripada graf berkenaan.

Pengiraan kelikatan cecair dibuat dengan menggunakan persamaan tertentu berdasarkan

No.Re yang didapati daripada graf pekali seretan. Pekali seretan pula dihitung terlebih

dahulu selepas mendapatkan halaju terminal. Daripada nilai-nilai yang dihitung secara

cerapan dan teori, kelikatan cecair dapat ditentukan. Hukum Stokes akan digunakan.

2

ISI KANDUNGAN :

Kandungan Muka Surat

Abstrak 2

Pengenalan dan Objektif 4

Kaedah 5

Keputusan 6-13

Perbincangan dan Cadangan 14-15

Kesimpulan 16

Rujukan 16

3

PENGENALAN RINGKAS :

Kelikatan ditakrifkan sebagai sifat bendalir untuk menahan pergerakan relatif lapisan

dalam bendalir tersebut. Kelikatan sesuatu bendalir dapat ditentukan dengan

menggunakan Hukum Stokes. Hukum Stokes adalah persamaan yang menghubungkan

halaju tamatan bagi suatu sfera licin dan tegar dalam cecair likat dengan kelikatan dan

ketumpatan tertentu kepada diameter sfera apabila dikenakan suatu daya. Hukum Stokes

biasanya digunakan dalam bidang analisis saiz zarah bagi tanah dengan menggunakan

pipet, hidrometer atau kaedah emparan.

OBJEKTIF :

Menentukan kelikatan cecair pada suhu bilik dengan mengukur kadar kejatuhan

bebola di dalam cecair.

Menentukan nombor Reynold bagi cecair pada suhu bilik.

Menentukan pekali seretan bagi kejatuhan bebola dalam cecair likat.

4

KAEDAH :

1. Diameter dalam dan diameter luar silinder diukur

dengan menggunakan angkup vernier.

2. Empat biji sfera dipilih secara rawak daripada

setiap piring yang masing-masing mengandungi sfera bersaiz A, B, C, D dan E.

3. Dengan menggunakan angkup vernier, diameter biji

sfera yang dipilih masing-masing diukurkan.

4. Kemudian, jisim setiap biji sfera tersebut ditimbang

dengan menggunakan neraca elektronik.

5. Suhu cecair gliserol yang sedia ada dalam silinder

dicatatkan.

6. Satu biji sfera dimasukkan ke dalam cecair gliserol.

7. Masa kejatuhan sfera menerusi setiap segmen yang

berjarak 10 cm di dalam gliserol direkodkan.

8. Daripada data-data yang telah diperoleh, nilai

halaju pergerakan sfera dalam cecair gliserol dihitungkan.

9. Graf halaju, v melawan masa, t diplotkan untuk

mendapatkan nilai halaju tamatan atau halaju terminal, v.

10. Langkah 6 hingga 9 diulangi untuk biji-biji sfera

yang berlainan jenis.

5

KEPUTUSAN :

Suhu cecair gliserol = 27 oC

Daripada Perry’s Chemical Engineer’s Handbook,

Ketumpatan cecair gliserol = 1.216 g/mL = 1216 kg/m3

Kelikatan cecair gliserol pada 29oC adalah 1.4836 kgm-1 s-1

Diameter selinder = 0.0990 m

1) Diameter, jisim, isipadu dan ketumpatan sampel-sampel sfera

Di mana Isipadu sfera, dan ketumpatan

Jenis-jenis bebola

Sampel Jisim / g Diameter / cm

Purata Jisim / g

Purata Diameter / cm

Isipadu Bebola / m3

Ketumpatan Bebola / kgm-3

A 1 0.0439 0.300.0452 0.30 1.41x10-8 3.21x1032 0.0432 0.31

3 0.0485 0.30B 1 0.1807 0.50

0.2377 0.53 7.8 0x10-8 3.05x1032 0.1955 0.523 0.3369 0.58

C 1 0.1853 0.570.2792 0.55 8.71 x10-8 3.21x1032 0.3509 0.58

3 0.3013 0.50D 1 0.1250 0.40

0.1414 0.41 3.61 x10-8 3.92x1032 0.1737 0.443 0.1254 0.40

E 1 0.1014 0.380.1528 0.45 4.77 x10-8 3.20x1032 0.1782 0.47

3 0.1788 0.49

6

2) Pengiraan halaju purata setiap jenis bebola dan melukis graf halaju sfera

melawan masa

a. Bebola jenis A

Jarak / cm

Masa bagi setiap sela sampel/ s

Purata masa / s

Masa tengah / s

Halaju / ms-1

1 2 310 0.98 1.19 1.13 1.10 0.55 0.181820 2.34 2.58 1.04 0.89 0.99 0.100730 4.82 5.21 2.25 2.11 2.05 0.048940 7.96 4.87 4.85 1.80 2.95 0.033950 7.25 5.56 4.97 0.70 3.30 0.030360 6.60 5.39 5.08 -0.90 2.85 0.035170 5.11 5.50 6.92 0.15 2.92 0.034280 5.06 6.89 8.46 0.96 3.40 0.029490 4.95 5.53 9.84 -0.03 3.39 0.0295100 5.04 5.46 7.47 -0.78 3.30 0.0334

7

Halaju bebola jenis A / ms-1 melawan masa / s

0.0000

0.0200

0.0400

0.0600

0.0800

0.1000

0.1200

0.1400

0.1600

0.1800

0.2000

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00Masa / s

Hal

aju

/ m

s-1

b. Bebola jenis B

Jarak / cm

Masa bagi setiap sela / s

Purata masa / s

Masa tengah / s

Halaju / ms-1

1 2 310 0.67 0.73 0.49 0.63 0.32 0.317520 1.07 1.20 1.40 0.59 0.61 0.163530 2.51 1.57 0.84 0.42 0.82 0.122040 2.47 2.79 1.31 0.55 1.10 0.091350 2.37 2.46 1.27 -0.16 1.02 0.098460 2.65 2.34 1.59 0.16 1.10 0.091270 2.54 2.12 1.43 -0.16 1.02 0.098580 2.51 2.55 1.71 0.23 1.13 0.088690 2.51 2.44 1.50 -0.11 1.08 0.0930100 2.41 2.34 1.41 -0.10 1.03 0.0974

8

Halaju bebola jenis B / ms-1 melawan masa / s

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00Masa / s

Hal

aju

/ m

s-1

c. Bebola jenis C

Jarak / cm

Masa bagi setiap sela / s

Purata masa / s

Masa tengah / s

Halaju / ms-1

1 2 310 0.82 0.66 0.75 0.74 0.37 0.269120 0.87 0.90 1.00 0.18 0.46 0.216630 1.20 1.06 1.49 0.33 0.63 0.160040 1.47 1.39 3.29 0.80 1.03 0.097650 1.23 1.32 2.54 -0.35 0.85 0.117960 1.40 1.39 2.46 0.05 0.88 0.114370 1.61 1.30 2.41 0.02 0.89 0.112880 1.55 1.39 2.54 0.05 0.91 0.109590 1.77 1.40 2.36 0.02 0.92 0.1085100 1.57 1.66 2.49 0.06 0.95 0.1049

9

Halaju bebola jenis C / ms-1 melawan masa / s

0.0000

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

0.2500

0.3000

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00Masa / s

Hal

aju

/ m

s-1

d. Bebola jenis D

Jarak / cm

Masa bagi setiap sela / s

Purata masa / s

Masa tengah / s

Halaju / ms-1

1 2 310 0.88 0.68 0.81 0.79 0.40 0.253220 1.18 0.68 1.08 0.19 0.49 0.204130 3.50 2.40 3.57 2.18 1.58 0.063440 2.60 2.16 3.64 -0.36 1.40 0.071450 3.26 2.29 2.91 0.02 1.41 0.070960 3.22 2.29 4.40 0.48 1.65 0.060570 3.40 2.08 3.31 -0.37 1.47 0.068380 3.18 2.18 3.21 -0.07 1.43 0.070090 3.11 2.41 3.39 0.11 1.49 0.0673100 3.17 2.38 3.73 0.12 1.55 0.0647

10

Halaju bebola jenis D / ms-1 melawan masa / s

0.0000

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

0.2500

0.3000

0.00 5.00 10.00 15.00Masa / s

Hal

aju

/ m

s-1

e. Bebola jenis E

Jarak / cm

Masa bagi setiap sela / s

Purata masa / s

Masa tengah / s

Halaju / ms-1

1 2 310 1.14 0.73 0.72 0.86 0.43 0.231720 1.09 1.22 1.13 0.28 0.57 0.174430 2.25 2.31 2.31 1.14 1.15 0.087340 4.77 2.17 2.49 0.85 1.57 0.063650 3.64 2.64 2.46 -0.23 1.46 0.068660 3.63 2.49 2.35 -0.09 1.41 0.070870 3.40 2.57 2.56 0.02 1.42 0.070380 3.62 2.70 2.21 0.00 1.42 0.070390 3.30 2.29 2.74 -0.07 1.39 0.0720100 4.04 2.35 2.70 0.25 1.52 0.0660

11

Halaju bebola jenis E / ms-1 melawan masa / s

0.0000

0.0500

0.1000

0.1500

0.2000

0.2500

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00Masa / s

Hal

aju

/ m

s-1

3. Penentuan pekali seretan, No. Reynold dan kelikatan cecair

(i) Tanpa kesan dinding

Bebola Halaju Terminal,

/ ms-1

Pemalar,R’

/ kgm-1 s-2

Pekali Seretan,

CD

Nombor Reynolds,

Re

Kelikatan,

/ kgm-1 s-1

Kelikatan Purata, ’/ kgm-1 s-1

A 0.03313 43.0777 235.4447 0.1019 0.3548B 0.09611 95.4421 51.5347 0.4657 0.4573C 0.10348 88.5725 43.8718 0.5470 0.4011 0.416134

D 0.06396 59.9195 86.2666 0.2782 0.3475E 0.06538 102.9658 89.8602 0.2671 0.5200

(ii) Dengan kesan dinding

Bebola Halaju Terminal,

Pemalar,R’

Pekali Seretan,

Nombor Reynolds,

Kelikatan, Kelikatan Purata, ’

12

’ / ms-1 / kgm-1 s-2 CD Re’ / kgm-1 s-1 / kgm-1 s-1

A 0.03310 43.0777 239.189 0.1003 0.3576B 0.09600 95.4421 52.9292 0.4534 0.4634C 0.10340 88.5725 45.0803 0.5324 0.4066 0.420771

D 0.06393 59.9195 88.1401 0.2723 0.3513E 0.06530 102.9658 91.5938 0.2620 0.5250

Contoh pengiraan :

Dengan menggunakan data-data bagi sampel 1, sfera berjenis A, nilai-nilai berikut dikirakan:

1 Isipadu sfera = 4/3 π R3

= 4/3 x π x (0.003/2) 3

= 1.41 x 10-8 m3

2. Ketumpatan sfera = Jisim / Isipadu

= 0.000452 kg / 1.41 x 10-8 m3

= 3210 kg / m3

3. Halaju tamatan merupakan titik halaju sfera menjadi mantap uT = 0.022 ms-1

4. Pekali seretan tanpa kesan dinding,

5. Nombor Reynolds tanpa kesan dinding, NRe ditentukan daripada carta pekali seretan

lawan nombor Reynolds (lampiran). NRe = 0.102

6. Kelikatan bendalir tanpa kesan dinding, Bagi Re > 0.1,

ms

7. Halaju terminal dengan kesan dinding,

13

8. Pekali seretan dengan kesan dinding,

9.Nombor Reynolds dengan kesan dinding, NRe’ ditentukan daripada carta pekali seretan

lawan nombor Reynolds (lampiran). NRe

’ = 0.113 10. Kelikatan bendalir dengan kesan dinding,

PERBINCANGAN :

Daripada graf, didapati sfera yang lebih berat akan jatuh dengan lebih cepat dalam

gliserol dan mempunyai nilai halaju yang lebih besar. Hal ini disebabkan bagi biji sfera

berat, daya tarikan graviti lebih besar daripada daya apungan cecair dan daya kelikatan

gliserol Halaju ini dikenali sebagai halaju tamatan. Walau bagaimanapun, kami tidak

mendapat satu nilai yang mantap seperti yang dijangkakan disebabkan gerakan bebola

mengalami halangan dala tiub silinder. Maka, purata untuk halaju tamatan pada tiga

segmen yang terakhir diambil. Secara amnya, dapat diperhatikan bahawa tempoh untuk

sfera mencapai halaju tamatan menurun dengan pertambahan saiz sfera.

Dengan merujuk kepada graf yang diplot, kesemua graf menunjukkan pola graf

salingan, iaitu y = 1 / x. Keadaan ini berlaku disebabkan daya tarikan graviti adalah tinggi

14

daripada daya seretan dan daya apungan pada keadaan awal. Daya seretan bergantung

kepada kelikatan gliserol. Oleh itu, didapati kelikatan gliserol di atas tabung adalah lebih

rendah daripada uang di bawah.

Dalam analisis data, didapati pekali seretan bertambah dengan pengurangan saiz

sfera. Ini disebabkan pekali seretan berkadar terus dengan luas permukaan sfera dan luas

permukaan bertambah dengan pengurangan saiz sfera. Nombor Reynolds yang berkadar

terus dengan halaju sfera pula bertambah dengan saiz sfera dimana halaju bertambah

dengan saiz sfera apabila dijatuhkan ke dalam cecair.

Sepanjang ujikaji, didapati bahawa kewujudan beberapa ralat yang menjejaskan

keputusan ujikaji.

1. Ralat paralaks di mana kedudukan mata pemerhati tidak selaras dengan bebola

apabila bebola melalui pada setiap jarak yang diukur.

2. Kejatuhan bebola dalam gliserol yang terlalu cepat pada awalnya menyebabkan

pemerhati tidak sempat untuk mencatatkan masa dengan tepat.

3. Terdapat bendasing dalam gliserol seperti wayar yang ada dalam silinder

menganggu gerakan bebola.

4. Terdapat perbezaan dalam saiz sfera daripada kategori yang sama.

Langkah berjaga-jaga harus diambilkira :

1. Kedudukan mata pemerhati haruslah berserenjang dengan tanda pada alat pengukur

yang dilekat pada silinder semasa kejatuhan bebola pada setiap jarak yang ditentukan.

2. Jam digital digunakan untuk mencatatkan masa perjalanan bola

3. Gliserol yang diisikan dalam silinder perlu dipastikan tiada bendasing sebelum

ujikaji dimulakan.

4. Ujikaji diulangi bagi mendapatkan keputusan yang lebih jitu.

CADANGAN

15

1. Ralat paralaks perlu dielakkan semasa menggunakan angkup vernier dan memerhati

kedudukan sfera dalam selinder.

2. Sfera yang dipilih dari kumpulan yang sama dipastikan mempunyai saiz yang sama

dan jisim yang tidak jauh berbeza.

3. Sfera harus dijatuhkan di tengah silinder supaya tidak terkena dinding silinder.

4. Gliserol di dalam silinder perlu dikacau terlebih dahulu untuk memastikan

ketumpatannya adalah seragam.

KESIMPULAN :

Ujikaji ini boleh dikatakan dilakukan dengan berjaya kecuali ralar-ralat yang berlaku

semasa ujikaji yang menjejaskan kejituan pengiraan. Objektif ujikaji ini adalah untuk

mengukur kelikatan cecair pada suhu bilik dengan mengukur kadar kejatuhan sfera di

dalam cecair gliserol berjaya ditentukan. Selain itu, Hukum Stokes juga telah

diaplikasikan dalam langkah pengiraan nilai kelikatan cecair gliserol.

Nilai kelikatan cecair gliserol apabila kesan dinding tidak dipertimbangkan adalah

0.4161 kg/m.s manakala nilainya apabila kesan dinding diambil kira adalah 0.4208

kg/m.s. Oleh itu, dapat disimpulkan bahawa nilai kelikatan dengan mempertimbangkan

kesan dinding adalah lebih jitu. Pada masa yang sama, juga dapat disimpulkan bahawa

apabila saiz bebola semakin berkurang, nilai pekali seretan semakin meningkat.

16

RUJUKAN :

1. Panduan Amali Pelajar Tahun 3 (Semester 2) Sesi 2007 / 2008, Jabatan Kejuruteraan

Kimia dan Proses, Fakulti Kejuruteraan, Universiti Kebangsaan Malaysia, 2007.

2. Prof Madya Dr.Siti Masrinda Tasirin. 2007. Nota kuliah untuk kursus Teknologi

zarah. Bangi, Selangor Darul Ehsan: Jabatan Kejuruteraan Kimia dan Proses,

Universiti Kebangsaan Malaysia.

17