Paper Koefisien Kekentalan Zat Cair

Embed Size (px)

DESCRIPTION

fdesare

Citation preview

  • PAPER

    FISIKA DASAR

    MODUL 9

    KOEFISIEN KEKENTALAN ZAT CAIR

    Nama : Nova Nurfauziawati

    NPM : 240210100003

    Tanggal / jam : 2 Desember 2010 / 13.00-15.00 WIB

    Asisten : Dicky Maulana

    JURUSAN TEKNOLOGI INDUSTRI PANGAN

    FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PERTANIAN

    UNIVERSITAS PADJADJARAN

    JATINANGOR

    2010

  • KOEFISIEN KENTALAN ZAT CAIR

    (VISKOSITAS)

    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 :

    1. Fluida tidak bergerak / dalam keadaan diam (statika fluida)

    2. Fluida bergerak / dalam keadaan bergerak (dinamika fluida)

    HUBUNGAN FLUIDA DAN VISKOSITAS

    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.

  • KONSEP VISKOSITAS

    Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki

    tingkat kekentalan yang berbeda. Misalnya sirup dan air. Sirup biasanya lebih

    kental dari air. Atau air susu, minyak goreng, oli, darah, dan lain-lain. Tingkat

    kekentalan setiap zat cair tersebut berbeda-beda. Pada umumnya, zat cair lebih

    kental dari zat gas.

    Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara

    molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Viskositas adalah gaya gesekan

    internal fluida. Jadi molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek-

    menggesek ketika 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 antar molekul.

    Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air.

    Sebaliknya, fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir, contohnya minyak

    goreng, oli, madu dan lain-lain. Tingkat kekentalan suatu fluida juga bergantung

    pada suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut.

    Viskositas atau kekentalan hanya ada pada fluida riil (rill = nyata). Fluida

    riil/nyata adalah fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari, seperti air,

    sirup, oli, asap knalpot, dan lain-lain. Fluida riil berbeda dengan fluida ideal.

    Fluida ideal sebenarnya tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Fluida ideal hanya

    model yang digunakan untuk membantu kita dalam menganalisis aliran fluida

    (fluida ideal ini yang kita pakai dalam pokok bahasan Fluida Dinamis).

    Viskositas suatu fluida adalah sifat yang menunjukkan besar dan kecilnya

    tahan dalam fluida terhadap gesekan. Fluida yang mempunyai viskositas rendah,

    misalnya air mempunyai tahanan dalam terhadap gesekan yang lebih kecil

    dibandingkan dengan fluida yang mempunyai viskositas yang lebih besar.

    Gaya Kecepatan V cm/detik

    F dyne

    L cm

    A cm2

    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 =

    ; =

    dengan F= gaya (N), V = kecepatan (m/s), A = Luas penampang (m2), L = jarak

    (m) dan = viskositas , . . Satuan Sistem Internasional (SI) untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter

    gram sekon) untuk koofisien viskositas adalah dyn.s/cm2 = poise (P). Viskositas

    juga sering dinyatakan dalam sentipoise (cP). 1 cP = 1/100 P.

    Gejala ini dapat dianalisis dengan mengintrodusir suatu besaran yang

    disebut kekentalan atau viskositas (viscosity). Oleh karena itu, viskositas

    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.

    Viskositas 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 Viskositas ().

    Viskositas 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. Viskositas dapat dihitung dengan rumus Poiseville.

    LVR 4

    8

    Dengan:

    R = Jari-jari pipa dialiri cair (cm)

    T = Waktu alir (detik)

    P = Tekanan yang menyebabkan zat cair mengalir (dyne/cm2)

    V = Volume zat cair (liter)

    L = Panjang pipa (cm)

  • = Koefisien Viskositas (centipoise)

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

    makin encer makin mudah mengalir. Sesuai dengan persamaan berikut:

    Q1 ; Q = Fluiditas

    Fluiditas yaitu kemudahan suatu zat cair untuk mengalir. Dari rumus

    diatas dapat dilihat bahwa Fluiditas berbanding terbalik dengan koefisien

    kekentalan (Koefisien Viskositas).

    APLIKASI VISKOSITAS

    Viskositas digunakan dalam dunia industri sebagai alat untuk mengukur

    kekentalan dari suatu zat yang akan diuji baik berupa cairan maupun gas.

    MACAM-MACAM VISKOMETER

    Alat yang dipakai untuk menentukan Viskositas dinamakan Viscometer.

    Ada beberapa jenis Viscometer, diantaranya :

    a) Viscometer Ostwald

    b) Viscometer Lehman

    c) Viscometer bola jatuh dari Stokes.

    A. Viscometer Ostwald

    Gambar 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.

    Umpamanya diperlukan t2 dengan menggunakan rumus Poiseville

    karena V, L dan R sama maka didapat persamaan:

    22

    11

    2

    1

    Dengan: 1 = Massa jenis air

    2 = Massa jenis zat cair yang dicari

    = koefisien zat cair

    = koefisien zat cair x

    = waktu zat cair = waktu zat cair x

    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

    stopwatch.

    B. Viscometer Lehman Nilai viskositas Lehman didasarkan pada waktu kecepatan alir cairan

    yang akan diuji atau dihitung nilai viskositasnya berbanding terbalik

    dengan waktu kecepatan alir cairan pembanding, dimana cairan

    pembanding yang digunakan adalah air. Persamaannya adalah sebagai

    berikut :

    TairTcairan

  • C. Viscometer Bola Jatuh Stokes Terhadap sebuah benda yang bergerak jatuh didalam fluida bekerja

    tiga macam gaya, yaitu:

    1. Gaya gravitasi atau gaya berat (W) gaya inilah yang menyebabkan

    benda bergerak ke bawah dengan suatu percepatan.

    2. Gaya apung (buoyant force) atau gaya Archimedes (B) arah gaya ini

    keatas dan besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh

    benda itu.

    3. Gaya gesek (Frictional force) Fg, arahnya keatas dan besarnya

    seperti yang dinyatakan oleh persamaan :

    VkFg . dengan: Fg = Gaya gesek

    k = Konstanta

    V = Kecepatan benda (m/s)

    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.

    Ilmuan bernama Sir Goerge Stokes pada tahun 1845 menunjukan

    bahwa gaya hambatan yang dialami oleh benda bentuk bola yang

    bergerak relatif terhadap fluida diberikan oleh hubungan :

    = Dengan koefisien viskositas, jari-jari bola, dan kecepatan

    benda terhadap fluida. Persamaan inilah yang dinamakan dengan hukum

    stokes. Berdasarkan kaidah stokes tersebut, jika semakin besar maka

    nilai gaya gesek akan semakin besar pula.

    Dalam percobaan hukum Stokes di perlukan syarat-syarat sebagai

    berikut :

    1. ruang tempat zat cair tidak terbatas

    2. tidak terjadi turbelansi pada zat cair

    3. kecepatan bola tidak besar

  • Bila sebuah benda padat berbentuk bola dengan jari-jari r

    dimasukkan ke dalam zat cair tanpa kecepatan awal bola tersebut akan

    begerak ke bawah mula-mula dengan percepatan sehingga kecepatannya

    bertambah. Dengan bertambahnya kecepatan maka gaya gesek fluida

    akan membesar, sehingga suatu saat bola akan bergerak dengan

    kecepatan tetap. Kecepatan tetap ini disebut kecepatan terminal yang

    terjadi pada saat gaya berat bola sama dengan jumlahan antara gaya

    angkat ke atas (Archimedes) dan gaya gesek Stokes.

    Gaya berat = Gaya apung + gaya stokes

    V g = o V g + 6 r v Fluida yang viskositasnya besar akan menghasilkan harga k yang

    besar pula. Untuk benda yang berbentuk bola dengan jari-jari R dan

    fluida dengan viskositas besarnya k dapat dinyatakan sebagai berikut ;

    Rk ...6 Hubungan ini diberikan oleh Stokes dan berlaku untuk aliran fluida

    yang laminer. Jika kedua rumus digabungkan, maka akan diperoleh gaya

    gesek;

    VRFg ....6 Alat ini terdiri dari sebuah tabung yang di bagian dinding luarnya

    diselubungi dengan air agar suhu di dalamnya konstan. Digunakan untuk

    menentukan Viskositas cairan yang kental tetapi yang tembus cahaya

    agar dapat mengamati jatuhnya bola peluru sampai ke dasar tabung..

    menurut hokum Stokes :

    V

    gR9

    2 12

    dengan: = Koefisien Viskositas (centipoise)

    R = Jari-jari bola (cm)

    = Massa jenis bola peluru

    1 = Massa jenis zat cair

    V = Kecepatan (m/s)

    g = Kecepatan gravitasi (m/s)

  • Hukum Stokes merupakan dasar viskositas bola jatuh. Viskositas

    ini terdiri atas gelas silinder dengan cairan yang akan diteliti dan

    dimasukkan kedalam termostat.

    Untuk mendapatkan viskositas 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.

    Dari kedua percobaan itu didapatkan persamaan;

    22

    11

    2

    1

    tt

    dengan: = koefisien zat cair

    = koefisien zat cair x

    = waktu zat cair

    = waktu zat cair x

    1 = Massa jenis air

    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 ;

    VL..Re

    Dengan: = Koefisien Viskositas (centipoise)

    Re = Bilangan Reynolds

    = Massa jenis bola peluru

    V = Kecepatan (m/s)

    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 VISKOSITAS

    Viskositas merupakan besaran yang harganya tergantung terhadap

    temperatur. Pada kebanyakan fluida cair, bila temperatur naik viskositas akan

    turun, dan sebaliknya bila temperatur turun maka viskositas akan naik.

    Dinyatakan dengan rumus

    BTA Log

    Dengan : = Koefisien Viskositas (centipoise)

    A dan B tetapan untuk cairan tertentu

    T = Temperatur mutlak

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

    beberapa cairan adalah

    CLogTBTA

    Log

    Dengan : = Koefisien Viskositas (centipoise)

    A, B dan C merupakan tetapan untuk cairan tertentu

    T = Temperatur mutlak

    PENENTUAN KEKENTALAN (VISKOSITAS)

    Viskositas 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

    besaran-besaran yang secara teknis sudah ditentukan besarnya., kecuali harga

    (koefisien viskositas) dan V (kecepatan benda). Oleh karena itu, terbuka

    kemungkinan untuk memanfaatkan hubungan ini untuk menentukan viskositas

    fluida, apabila dengan suatu harga V dapat ditentukan maka harga dapat

    dihitung dari persamaan:

    V

    gR9

    2 12

  • dengan: = Koefisien Viskositas

    R = Jari-jari bola (cm)

    = Massa jenis bola peluru

    1 = Massa jenis zat cair

    V = Kecepatan (m/s)

    g = Kecepatan gravitasi (m/s2)

    Viskositas juga dapat dihitung dengan rumus Poiseville.

    LVR 4

    8

    dengan: R = Jari-jari pipa dialiri cair (cm)

    T = Waktu alir (detik)

    P = Tekanan yang menyebabkan zat cair mengalir (dyne/cm2)

    V = Volume zat cair (liter)

    L = Panjang pipa (cm)

    = Koefisien Viskositas (centipoise)

    Pengukuran viskositas 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 ;

    22

    11

    2

    1

    Dengan: T = Waktu alir (detik)

    1 = Massa jenis air

    2 = Massa jenis zat cair yang dicari

  • DAFTAR PUSTAKA

    Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit

    Erlangga

    Kamajaya. 2004. Fisika untuk SMA Kelas II (Kelas XI) Semester 1.

    Bandung:Grafindo.

    Kanginan, Marthen.2005. Seribu Pena Fisika SMA untuk Kelas XI. Cimahi:

    Erlangga

    Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta :

    Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan),

    Jakarta : Penerbit Erlangga