Viskositas cairan I.PENDAHULUAN 1. Tujuan Percobaan - Untuk menentukan viskositas berbagai cairan dengan Metode Oswald. - Mengetahui hubungan antara viskositas dengan fluiditas waktu alir dari cairan atau berbagai larutan. - Mengetahui hubungan antara koefisien viskositas, massa jenis, dan waktu antara suatu cairan tertentu dengan cairan pembandingnya. - Mengetahui dan memahami prinsip kerja dari percobaan viskositas berbagai larutan dengan metode Ostwald. 2. Dasar Teori Viskositas dapat dinyatakan sebagai tahanan aliaran 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 yang tinggi. Pada hukum aliran viskos, Newton menyatakan hubungan antara gaya gaya mekanika dari suatu aliran viskos sebagai : Geseran dalam ( viskositas ) fluida adalah konstan sehubungan dengan gesekannya. Hubungan tersebut berlaku untuk fluida Newtonian, dimana perbandingan antara tegangan geser (s) dengan kecepatan geser (g) nya konstan. Parameter inilah yang disebut dengan viskositas. Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua buah bidang sejajar yang dilapisi fluida tipis diantara kedua bidang tersebut. Suatu bidang permukaan bawah yang tetap dibatasi oleh lapisan fluida setebal h, sejajar dengan suatu bidang permukaan atas yang bergerak seluas A. Jika bidang bagian atas itu ringan, yang berarti tidak memberikan beban pada lapisan fluida dibawahnya, maka tidah ada gaya tekan yang bekerja pada lapisan fluida. Suatu gaya F dikenakan pada bidang bagian atas yang menyebabkan bergeraknya bidang atas dengan kecepatan konstan v, maka fluida dibawahnya akan membentuk suatu lapisan lapisan yang saling bergeseran.Setiap lapisan tersebut akan memberikan tegangan geser (s) sebesar F/A yang seragam, dengan kecepatan lapisan fluida yang paling atas sebesar v dan kecepatan lapisan fluida paling bawah sama dengan nol. Maka kecepatan geser (g) pada lapisan fluida di suatu tempat pada jarak y dari bidang tetap, dengan tidak adanya tekanan fluida Konsep Viskositas Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara molekulmolekul yang menyusun suatu 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 antara molekul.

Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air. Sebaliknya, fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu dkk. Hal ini bisa dibuktikan dengan menuangkan air dan minyak goreng di atas lantai yang permukaannya miring. Pasti air ngalir lebih cepat daripada minyak goreng atau oli. Tingkat kekentalan suatu fluida juga bergantung pada suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut. Misalnya ketika ibu menggoreng paha ikan di dapur, minyak goreng yang awalnya kental menjadi lebih cair ketika dipanaskan. Sebaliknya, semakin tinggi suhu suatu zat gas, semakin kental zat gas tersebut. Perlu diketahui bahwa viskositas alias kekentalan cuma ada pada fluida riil (rill = nyata). Fluida riil/nyata tuh fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari, seperti air, sirup, oli, asap knalpot, dan lainnya. 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). Mirip seperti kita menganggap benda sebagai benda tegar, padahal dalam kehidupan sehari-hari sebenarnya tidak ada benda yang benar-benar tegar/kaku. Tujuannya sama, biar analisis kita menjadi lebih sederhana. Satuan Sistem Internasional (SI) untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk si koofisien viskositas adalah dyn.s/cm2 = poise (P). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise (cP). 1 cP = 1/100 P. Satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Perancis, almahrum Jean Louis Marie Poiseuille (baca : pwa-zoo-yuh). 1 poise = 1 dyn . s/cm2 = 10-1 N.s/m2 Fluida Air Temperatur (o C) 0 20 60 100 37 37 20 30 0 20 60 20 0 100 Koofisien Viskositas 1,8 x 10-3 1,0 x 10-3 0,65 x 10-3 0,3 x 10-3 4,0 x 10-3 1,5 x 10-3 1,2 x 10-3 200 x 10-3 10.000 x 10-3 1500 x 10-3 81 x 10-3 0,018 x 10-3 0,009 x 10-3 0,013 x 10-3

Darah (keseluruhan) Plasma Darah Ethyl alkohol Oli mesin (SAE 10) Gliserin

Udara Hidrogen Uap air

Setiap zat cair mempunyai karakteristik yang khas, berbeda satu zat cair dengan zat cair yang lain. Salah satunya adalah viskositas. Viskositas merupakan tahanan yang dilakukan oleh suatu lapisan fluida terhadap suatu lapisan lainnya. Sifat viskositas ini dimiliki oleh setiap fluida, gas, atau cairan. Viskositas suatu cairan murni adalah indeks hambatan aliran cairan. Aliran cairan dapat dikelompokan menjadi dua yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Aliran laminar menggambarkan laju aliran kecil melalui sebuah pipa dengan garis tengah

kecil. Sedangkan aliran turbulen menggambarkan laju aliran yang besar dengan diameter pipa yang besar. Penggolongan ini berdasarkan bilangan Reynoldnya. Viskositas menentukan kemudahan suatu molekul bergerak karena adanya gesekan antar lapisan material. Karenanya viskositas menunjukkan tingkat ketahanan suatu cairan untuk mengalir. Semakin besar viskositas maka aliran akan semakin lambat. Besarnya viskositas dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti temperatur, gaya tarik antar molekul dan ukuran serta jumlah molekul terlarut. Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. 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. Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air. Sebaliknya, fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu dll. Tingkat kekentalan fluida dinyatakan dengan koefisien viskositas (h). Kebalikan dari Koefisien viskositas disebut fluiditas, , yang merupakan ukuran kemudahan mengalir suatu fluida. Viskositas cairan adalah fungsi dari ukuran dan permukaan molekul, gaya tarik menarik antar molekul dan struktur cairan. Tiap molekul dalam cairan dianggap dalam kedudukan setimbang, maka sebelum sesuatu lapisan melewati lapisan lainnya diperlukan energy tertentu. Sesuai hokum distribusi Maxwell-Boltzmann, jumlah molekul yang memiliki energy yang diperlukan untuk mengalir, dihubungkan oleh factor e-E/RT dan viskositas sebanding dengan e-E/RT. Secara kuantitatif pengaruh suhu terhadap viskositas dinyatakan dengan persamaan empirik, h = A e-E/RT A merupakan tetapan yang sangat tergantung pada massa molekul relative dan volume molar cairan dan E adalah energi ambang per mol yang diperlukan untuk proses awal aliran. Cara menentukan viskositas suatu zat menggunakan alat yang dinamakan viskometer. Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan antara lain : 1. Viskometer kapiler / Ostwald Viskositas dari cairan yang ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan bagi cairan tersebut untuk lewat antara 2 tanda ketika mengalir karena gravitasi melalui viskometer Ostwald. Waktu alir dari cairan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bagi suatu zat yang viskositasnya sudah diketahui (biasanya air) untuk lewat 2 tanda tersebut (Moechtar,1990). 2. Viskometer Hoppler Berdasarkan hukum Stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga gaya gesek = gaya berat gaya archimides. Prinsip kerjanya adalah menggelindingkan bola ( yang terbuat dari kaca ) melalui tabung gelas yang berisi zat cair yang diselidiki. Kecepatan jatuhnya bola merupakan fungsi dari harga resiprok sampel (Moechtar,1990). 3. Viskometer Cup dan Bob

Prinsip kerjanya sample digeser dalam ruangan antaradinding luar dari bob dan dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengah-tengah. Kelemahan viscometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan geseran yang tinggi di sepanjangkeliling bagian tube sehingga menyebabkan penurunan konsentrasi. Penurunan konsentras ini menyebabkab bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebut aliran sumbat (Moechtar,1990). 4.Viskometer Cone dan Plate Cara pemakaiannya adalah sampel ditempatkan ditengah-tengah papan, kemudian dinaikkan hingga posisi di bawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan bermacam kecepatan dan sampelnya digeser di dalam ruang semitransparan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar (Moechtar,1990). Viskositas cairan juga dapat ditentukan berdasarkan jatuhnya benda melalui medium zat cair, yaitu berdasarkan hukum Stokes. Dimana benda bulat dengan radius r dan rapat d, yang jatuh karena gaya gravitasi melalui fluida dengan rapat dm/db, akan dipengaruhi oleh gaya gravitasi sebesar : F1 = 4/3 r3 ( d-dm ) g Perbedaan antara viskositas cairan dengan viskositas gas adalah sebagai berikut : Jenis Perbedaan Gaya gesek Koefisien viskositas Temperatur Tekanan Viskositas Cairan Lebih besar untuk mengalir Lebih besar Temperatur naik,viskositas turun Tekanan naik,viskositas naik Viskositas Gas Lebih kecil disbanding viskositas cairan Lebih kecil Temperatur naik,viskositas naik Tidak tergantung tekanan

Pengaruh Temperatur Pada Viskositas Koefisien viskositas berubah-ubah dengan berubahnya temperature, dan hubungannya adlah : log = A + B/T ( a ) dimana A dan B adalah konstanta yang tergantung pada cairan. Persamaan di atas dapat ditulis sebagai : = Aeksp ( -Evis/RT ) II. ALAT DAN BAHAN ~ Alat alat : 1. Viskometer Ostwald 1 buah

2. 3. 4. 5. 6.

Termostat Stopwatch Pipet ukur 25 mL Pipet filler Piknometer

1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah

~ Bahan bahan : 1. 2. 3. 4. Akuades 20 mL CCl4 20 mL Aseton 20 mL Etanol 20 Ml

III. CARA KERJA 1. Viskometer yang bersih dipergunakan. 2. Viskometer diletakkan dalam termostat pada posisi vertikal. 3. Sejumlah tertentu cairan (5 mL) dipipet ke dalam reservoir A (lihat gambar)sehingga kalau cairan ini dibawa ke reservoir B dan permukaannya melewati garis m, reservoir A kira-kira masih terisi setengahnya. 4. Dengan menghisap atau meniup (melalui sepotong selang karet) cairan A dibawa ke B sampai sedikit di atas garis m, kemudian cairan dibiarkan mengalir secara bebas. Waktu yang diperlukan cairan untuk mengalir dari m ke n dicatat. Percobaan ini dilakukan berkali-kali. 5. Rapat massa cairan pada suhu yang bersangkutan ditentukan dengan piknometer atau neraca Westpal. 6. Percobaan 1-5 di atas dilakukan untuk cairan pembanding (aquadest) dengan viskositas yang sama.

Baru Viskositas adalah ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas fluida, maka semakin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas.

Dalam suatu fluida ideal (fluida tidak kental) tidak ada viskositas (kekentalan) yang menghambat lapisan-lapisan fluida ketika lapisan-lapisan tersebut menggeser satu di atas lainnya. Untuk fluida yang sangat kental seperti madu, diperlukan gaya yang lebih besar, sedangkan untuk fluida yang kurang kental (viskositasnya kecil), seperti air, diperlukan gaya yang lebih kecil. Tingkat kekentalan suatu fluida juga bergantung pada suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut. Misalnya ketika ibu menggoreng , minyak goreng yang awalnya kental menjadi lebih cair ketika dipanaskan. Sebaliknya, semakin tinggi suhu suatu zat gas, semakin kental zat gas tersebut. Tingkat kekentalan fluida dinyatakan dengan koofisien viskositas. Nah, jika fluida makin kental maka gaya tarik yang dibutuhkan juga makin besar. Dalam hal ini, gaya tarik berbanding lurus dengan koofisien kekentalan. Satuan Sistem Internasional (SI) untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk si koofisien viskositas adalah dyn.s/cm2 = poise (P). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise (cP). 1 cP = 1/100 P. Satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Perancis, almahrum Jean Louis Marie Poiseuille. 1 poise = 1 dyn . s/cm2 = 10-1 N.s/m2 Fluida Temperatur (o C) Koofisien Viskositas Air 0 1,8 x 10-3 20 1,0 x 10-3 60 0,65 x 10-3 100 0,3 x 10-3 Darah (keseluruhan) 37 4,0 x 10-3 Plasma Darah 37 1,5 x 10-3 Ethyl alkohol 20 1,2 x 10-3 Oli mesin (SAE 10) 30 200 x 10-3 Gliserin 0 10.000 x 10-3 20 1500 x 10-3 60 81 x 10-3 Udara 20 0,018 x 10-3 Hidrogen 0 0,009 x 10-3 Uap air 100 0,013 x 10-3

Baru

tegangan geserMekanika BahanProgram Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Hindu Indonesia 46 4.3 Tegangan Geser

Pada Subbab 4.2 kita telah mendiskusikan bagaimana tegangan tarik dan tekanbekerja dalam arah tegak lurus terhadap permukaan sebuah batang logam. Gaya-gayaini disebut juga tegangan normal. Tegangan jenis lain, disebut tegangan geser, adalahtegangan yang bekerja dalam arah sejajar terhadap permukaan suatu bencla. Gaya inidisebut juga tegangan tangensial. Tegangan normal dan tegangan geser ditunjukkanpada Gambar 4.5 di bawah ini.Sebuah contoh, tegangan geser ditunjukkan pada Gambar 4.6a. Jika suatu gaya yangsama dan berlawanan arah P bekerja pada dua buah plat datar yong direkatkan satusama lain dengan suatu chemical adhesive, maka dikatakan bahwa plat mengalami gayageser. Gaya geser dianggap terdistribusi merata melintang bidang kontak. Besar gayageser dibitung dari persamaan:

Mekanika BahanProgram Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Hindu Indonesia 47 Gaya geser terdistribusi merata kurang lebih sama seperti yang terjadi pada gaya tarik atau tekan yang terdistribusi merata. Pada kasus ini, gaya geser yang dibitung dari s =P/A hendaknya diinterpretasikan sebagai nilai rata-rata. Gaya geser juga bisamenunjukkan keadaan apabila beberapa permukaan bahan bergeser satu sama lain.Kasus ini ditunjukkan pada Gambar 5.6b.Suatu gaya luar P bekerja. Gaya reaksi R bekerja pada. bidang AB untuk menjaga aksi luncur ( sliding ) diantara bagian komponen I dan 2. Gaya reaksi ini disebutgaya geser internal yang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (4.4).Karena gaya luar P dan gaya internal Ps yang bekerja pada sebuah benda adalah samadan sejajar, semua bidang horizontal yang terletak di antaranya mempunyaikecender-ungan yang sama untuk bergeser satu sama lain dan masingmasing bidangmenimbulkan intensitas gaya geser yang sama. Contoh 4

Suatu plat baja sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.7 dihubungkan oleh dua buahbaut dengan diameter 19 mm. Apabila bekerja beban tarik sebesar 80 kN, hitung gayageser ratarata pada baut. Penyelesaian Dianggap beban ditahan sama besar oleh masing-masing baut dan tegangan geser yangditimbulkan adalah terdistribusi merata pada setiap baut. Karena hanya ada satu bidanggeser setiap baut, geser reaksi bekerja pada lingkaran dengan diameter 19 mm.

Mekanika BahanProgram Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Hindu Indonesia 48 Masing-masing baut menahan 40 kN (setengah dari total beban). Gaya geser rata-rataadalah: Contoh 5 Tiga buah kayu yang direkatkan satu sama lain (lihat Gambar 4.8) akan digunakanuntuk menguji kekuatan geser sambungan lem. Beban P sebesar 50 kN bekerja padakayu. Hitung tegangan geser rata-rata tiap sambungan. 4.4 Regangan dan Deformasi Bentuk regangan dan deformasi keduanya menunjukkan perubahan dimensi.Sebuah benda yang mendapat gaya tarik atau tekan akan mengalami perubahan panjang.Benda akan mulur

(bertambah panjang) dengan gaya tarik dan mengkerut (memendek)dengan gaya tekan. Pada beberapa bahan (karet misalnya), beban kecil akanmengakibatkan deformasi yang relatif besar. Bahan teknik yang lain akanmengakibatkan respons yang sama, meskipun deformasi bisa jadi relatif kecil. Suatu

Baru . Bilangan reynold Bilangan ReynoldsDalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vs ) terhadapgaya viskos ( /L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatukondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yangberbeda, misalnya laminar dan turbulen. Namanya diambil dari Osborne Reynolds (1842 1912) yang mengusulkannya pada tahun 1883. Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalammekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang miripsecara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memilikinilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis.

Bilangan Reynold (Re) merupakan bilangan tak berdimensi yang dipakai untuk menentukan distribusi kecepatan suatu aliran sehingga dapat menentukan sifat suatualiran ( Re 2100 : Turbulen )D = diameter v = laju alir = densitas = viskositas2. BILANGAN PRANDTLJumlah Prandtl (Pr)adalah angka berdimensi, rasio difusivitas momentum (viskositaskinematik) untuk difusivitas termal. Hal ini dinamai setelah fisikawan Jerman LudwigPrandtl.Bilangan Prandtl (Pr) merupakan suatu nilai / harga yang dipakai untuk menentukan distribusitemperatur pada suatu aliranHal ini didefinisikan sebagai: QV Dv ..Re !

Baru Hukum stokes

HUKUM STOKESTujuan 1.Me ma ha miba hwa be nd a yang bergerakdidalamfluidaakanmendapatkangayagesekan yang disebabkanolehkekentalanfluida. 2.Me ne nt ukanko e fis ie nkek e nt ala n ( V1) Kositas)dar isuat uzat ca ir deng a nme nggu naka nHuku m Stokes. Teori Setiapbenda yang bergerakdalamsuatufluida(zat cair /gas )akanme ndap at kangayagesekan yang disebabkanolehkekentalanfluidatersebut. G aya gesekaninisebandingdengankecepatan relative

bendaterhadapfluida. F =Konstanta V K.(1) Khususuntukbenda yang berbentuk bola danbergerakdidalamfluida yang tetapsifatnya, gayagesekanyang dialamibendadirumuskansebagaiberikut: F = - 6. .n.r.v (2) Dimana : F = Gaya gesekan yang bekerjapada bola n= K oefisienkekentalandarifluida r= J ari- jari bola v= K ecepatan relative bola terhadapfluida - = Tanda negative menunjukkanarahgaya Fber la wana nd e nga nar a hkecep at an. Rumusdiatasdapatdikenaldengan hokum stokes, syarat syarat yang diperlukan agar hokum stokes dapatberlaku: 1. Ruangtempatfluidaterbatas 2. Tidakadaturbulensididalamfluida 3. Kecepatan v tidakbesarsehinggaaliranmasih linier Jikasebuahbendapadatberbentuk bola, dilepaspadapermukaanzatcair bola tersebutakanmendapatkanpercepatan. D enganbertambahbesarnyakecepatan bola, makagaya stokesyang bekerjapadanyajugabertambahbesarsehinggaakhirnya bola akanbergerakdengankecepatan

tetap,yaitusetelahterjadikeseimbanganantaragaya gayaberat,Archimedes danStokes pada bola tersebut. Apabila bola bergerakdengankecepatantetap, makapersamaan yang berlaku. Dimana : v= K ecepatantetap bola Tugasakhir.

1. Jelaskanapa yang dimaksudviskosistas,turbulensihukumpoisevilledanhukumsokes? 2.Mengapadalampercobaanhukum stokes objek yang paling naikadalah bola berkelip? 3. Apamaksuddaripengukuran temperature zatcairsebelumdansesudahpercobaan? 4. Buatlahgrafikviskositas Jawab : 1 . V iskositasadalah : K ekentalan/ tahanansuatucairanatauflida Hokum stokes adalah:Suatu hokumyang dapatdigunakanuntukmenentukanviskositasdarisuatuflida Turbulensiadalah :Suatukeadaancairanatauflidadalamkeadaantidaktenang,terjadiolakan HukumPoiseville: 2. Bola berkelipmerupakanobjek yang baikkarenaketebalannyameratadisetiaptitiksehinggakecepatannyamerata (tidakterlalubesar),sehinggaaliranmasih lancer dalampercobaanhukum stokes 3.Masksudpengukuran temperature zatcairsebelumdansesudahpercobaanadalahuntukmengetahuiapakahada/terjadinyaperubah anpanasyang diakibatkanolehgayagesek/gesekan bola denganflida