V. PENGUKURAN VISKOSITASblog.ub.ac.id/ulfahalimi/files/2014/12/Bab-5.-Pengukuran... · 2014. 12....

Sifat Fisik Bahan Pangan

SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 51

V. PENGUKURAN VISKOSITAS

PENGANTAR

Viskositas merupakan ukuran ketahanan fluida terhadap tekanan maupun tegangan.

Semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut.

Viskositas suatu zat dipengaruhi oleh suhu, dimana semakin tinggi suhu maka viskositas semakin

kecil. Begitu juga sebaliknya semakin rendah suhu maka viskositasnya semakin besar. Viskositas akan

turun dengan naiknya suhu, sedangkan viskositas gas naik dengan naiknya suhu. Pemanasan zat cair

menyebabkan molekul molekulnya memperoleh energi. Molekul – molekul cairan bergerak

sehingga gaya interaksi antar molekul melemah. Dengan demikian viskositas fuida akan turun

dengan kenaikan temperatur. Dalam bab ini akan dibahas metode pengukuran viskositas

TUJUAN

1. Tujuan Instruksional Umum (TIU)

Setelah mempelajari materi dalam modul ini diharapkan mahasiswa mengetahui jenis-jenis

alat ukur viksositas dan metode pengukurannya.

2. Tujuan Instruksional Khusus (TIK)

• Mahasiswa mengerti metode pengukuran viskositas dari berbagai jenis viscometer

• Mahasiswa dapat menentukan jenis fluida dari data viskositas

5.1. PENDAHULUAN

Viskositas dapat diukur denga berbagai jenis viscometer. Ada beberapa tipe viskometer

yang biasa digunakan antara lain :

1. Jenis viskometer aliran kapiler

2. Jenis viskometer lubang

3. Jenis viskometer bola jatuh

4. Jenis viskometer rotasi

Semua viskometer dapat digunakan untuk menentukan viskositas sistem Newton dan hanya

viskometer yang mempunyai kontrol shear stress yang bervariasi dapat digunakan untuk bahan –

bahan Non Newton.

5.2. JENIS VISKOMETER KAPILER

Viskometer kapiler dapat disebut juga dengan viskometer ostwald. Metode ini ditentukan

berdasarkan hukum Poisulle menggunakan alat viskometer oswaltd yang berbentuk pipa U, dimana

http://id.wikipedia.org/wiki/Fluidahttp://id.wikipedia.org/wiki/Tekananhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Tegangan&action=edit&redlink=1



konsep pengukuran viskometer kapiler, yaitu menggunakan waktu fluida melewati tabung kapiler

dan laju aliran yang disebabkan gradien tekanan. Pengoperasiannya adalah secara gaya gravitasi

yang bekerja pada kolom atau secara mekanik, dimana fluida newtonian dengan viskositas 0.4 –

20,000 mPa.s dan untuk fluida non-newtonian tekanan eksternal lebih berpengaruh dari pada

tekanan statik. Viskometer kapiler dapat ditunjukan pada Gambar 5.1.

Gambar 5.1. Viskometer kapiler

Viskositas dari fluida newton bisa ditentukan dengan mengukur waktu yang diperlukan

untuk mengalirkan fluida dalam pipa kapiler dari a ke b dengan gaya yang disebabkan oleh berat

fluida itu sendiri, dimana Sejumlah fluida yang akan diukur viskositasnya dimasukkan kedalam

viskometer yang diletakkan pada thermostat. kemudian dihisap melalui labu ukur dari viskometer

sampai permukaan cairan lebih tinggi dari batas a. Fluida dibiarkan turun ketika permukaan cairan

turun melewati batas b, stopwatch dimatikan dan waktu yang diperlukan dari a ke b dicatat

menggunakan stowatch. Tekanan P merupakan perbedaan tekanan antara kedua ujung pipa U dan

besarnya diasumsikan sebanding dengan berat jenis cairan.

Pada pengukuran viskositas dalam viskometer kapiler terdapat beberapa asumsi, yaitu:

1. Aliran adalah laminar

2. Fluida incompresible

3. Kecepatan fluida pada dinding diabaikan

4. Panjang tabung L jari – jari dalam r

5. Fluida newtonian, shear stress dan shear rate bervariasi dari 0 pada pusat kapiler (r = 0) dan

menjadi maksimal pada bagian dinding (r = R).

6. Profil newtonian adalah parabolik



7. Shear stress pada dinding berhubungan dengan penurunan tekanan sepanjang panjang tabung,

dengan persamaan sebagai berikut:

.......................................................................................................................... (1)

Persamaan Hagen Poiseuille untuk aliran dalam viscometer kapiler, sebagai berikut:

......................................................................................................................... (2)

Substitusi dari persamaan (1) dengan persamaan (2), shear stress juga dapat dinyatakan sebagai:

........................................................................................................................ (3)

Kemudian, shear rate pada dinding untuk fluida Newtonian dinyatakan sebagai berikut:

............................................................................................................ (4)

Dimana Q adalah laju aliran volumetrik. Hukum Newton tentang viskositas dapat ditulis dalam

bentuk gradien tekanan dan laju aliran volumetrik sebagai:

........................................................................................................... (5)

Untuk non – Newtonian fluida, hubungan antara shear stress dengan shear rate digunakan untuk

menurunkan persamaan tersebut, dimana tingkat shear pada dinding dapat ditentukan dari

persamaan Rabinowitsch – Mooney (Steffe, 1996, Wilkes, 1999):

........................................................................................................... (6)

........................................................................................................... (7)

........................................................................................................... (8)

Jika fluida berperilaku sebagai power law, maka kemiringan penurunan merupakan garis

lurus dan n’ = n.

Viskositas menunjukkan kekentalan suatu bahan yang diukur dengan menggunakan alat

viscometer. Semakin tinggi viskositas suatu bahan maka bahan tersebut akan makin stabil karena

pergerakan partikel cenderung sulit dengan semakin kentalnya suatu bahan. Nilai viskositas

berkaitan dengan kestabilan emulsi suatu bahan yang artinya berkaitan dengan nilai stabilitas emulsi

bahan. Viskositas atau kekentalan dari suatu cairan adalah salah satu sifat cairan yang menentukan

besarnya perlawanan terhadap gaya geser.



Contoh soal:

Data penurunan tekanan vs laju aliran volumetrik lelahan coklat menggunakan viskometer kapiler

dengan diameter 1 cm, panjang 60 cm.

Penurunan Tekanan (Pa) Laju Aliran (cm3/s)

3840 4646 5762 6742 7798 10454 11760

0.01 0.06 0.13 0.24 0.37 0.72 0.94

a) Tunjukkan bahwa lelehan coklat bukan fluida Newtonian

b) Tentukan konstanta model rheologi untuk model power law, Herschel-Bulkley, dan Casson

c) Model mana yang memberikan gambaran terbaik untuk perilaku lelehan coklat?

Penyelesaian

a) Hukum Newton untuk viskositas

Menggunakan data penurunan tekanan, shear stress dihitung dengan :

Shear stress untuk laju aliran yang berbeda

Hasil perhitungan shear stress dan shear rate :

m m

0.001590909 16

0.009545455 19.35833333

0.020681818 24.00833333

0.038181818 28.09166667

0.058863636 32.49166667

0.114545455 43.55833333

0.149545455 49



Hasil ploting grafik di atas menghasilkan:

Grafik hasil plotting menunjukkan bahwa fluida bukan Newtonian, karena grafik hubungan antara

shear stress dan shear rate tidak linier.

b. – Persamaan Power Law

Persamaan Power Law adalah dan linierisasi persamaan tersebut

menghasilkan

ln τw = 3.173 + 0.273 ln γ˙w

*Sebuah plot logaritmik dari shear stress terhadap shear rate (ln τyz vs ln γyz) menghasilkan garis

lurus dengan kemiringan n dan intercept dari ln k.

Untuk fluida power law,

n’ = n

Substitusi

0

10

20

30

40

50

60

0 0.05 0.1 0.15 0.2

w

w



ln τw = 0.273 ln γ˙w + 3.034

τw = 20.78 γ˙ w 0.273

b. – Model Herschel-Bulkley Persamaan model Herschel-Bulkley τw = τ0 + k (γ˙w )

n Untuk menentukan nilai τ0 shear stress pada dinding τw diplot dengan shear rate, dan nilai τ0

didapatkan dengan cara ekstrapolasi data.

Untuk menemukan konstanta model Herschel-Bulkley, linierisasi adalah:

ln(τw − τ0) = ln k + n ln γ˙w



τw = 13 + 6.66 γ˙w0.601

c. Model Casson adalah (τw )0.5 = (τ0)

0.5 + k (γ˙w )0.5

0 = (3.570)1/0.5 = 12.74 Pa

Dari ketiga model, hasil terbaik terdapat pada model Casson yaitu

Karena menghasilkan nilai R2 paling tinggi, yaitu 1.

5.3. VISKOMETER ORIFICE

Dalam Alat ukur viskometer jenis orifice, waktu untuk volume standar fluida mengalir

melalui suatu lubang yang diukur. Hal tersebut digunakan untuk fluida Newtonian atau Near –

Newtonian ketika akurasi ekstrim tidak diperlukan. Dalam industri makanan, yang paling umum

digunakan adalah jenis mencelupkan Zahn viskometer yang terdiri dari secangkir 44-mL kapasitas

stainless steel dengan pegangan dan lubang melingkar dengan dikalibrasi pada bagian bawah.

Cangkir diisi dengan mencelupkan ke dalam fluida dan ditarik. Dicatat pada saat waktu awal

menarik, dimana terjadi pengeluaran dalam alirannya.



5.4. JENIS VISKOMETER BOLA JATUH

Jenis viskometer bola jatuh dapat juga disebut dengan viskometer Hoeppler. Viskometer

bola jatuh mengikuti hukum Stokes, dimana pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan

sehingga gaya gesek = gaya berat – gaya archimides. Prinsip kerja dari viskometer bola jatuh adalah

suatu bola gelas / besi dengan rapatan d dan jari – jari r yang dijatuhkan ke dalam suatu tabung gelas

berisi fluida yang akan ditentukan viskositasnya. Waktu yang diperlukan bola untuk jatuh melalui

cairan dengan tinggi tertentu kemudian dicatat dengan stopwatch. Seperti yang ditunjukan pada

Gambar 5.2. Gaya berat yang menyebabkan bola turun ke bawah sebesar:

..................................................................... (9)

Dimana: Dp = diameter bola (m), ρp = densitas bola (kg/m3), ρf = densitas fluida (kg/m3), cD = koefisien drag, v = kecepatan bola (m/s).

Kerapatan bola dan fluida adalah percepatan gravitasi dan bekerja gaya gesek yang arahnya

ke atas sehingga persamaan pada keadaan setimbang, yaitu:

............................................................................................................ (10)

Gambar 5.2. Viskometer bola jatuh

Contoh soal

Tentukan viskositas minyak bunga matahari dengan menggunkan viskometer bola jatuh.

Viskometer tersebut memiliki panjang tabung 10 cm dan bola yang memiliki diameter 0,68 mm.

Minyak dan bola memiliki kepadatan masing-masing 921 kg/m3 dan 2420 kg/m3. Jika dibutuhkan

44,5 s untuk bola jatuh dari atas tabung, berapa viskositas minyak?



Penyelesaian

Kecepatan terminal adalah:

Kemud ian, viskositas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 18.

5.5. JENIS VISKOMETER ROTASI

Pada viskometer rotasi, sampel diukur antara dua bagian dari alat pengukur dengan cara

rotasi (putaran). Prinsip alat ini berdasarkan atas waktu yang diperlukan. Dalam agitasi, shear rate

sebanding dengan kecepatan rotasi. Hal ini dikarenakan dalam mengukur shear stress sebagai shear

rate yang berubah. Selain itu, sampel dapat diukur selama yang diinginkan. Oleh karena itu,

viskometer rotasi adalah alat ukur viskositas yang terbaik dalam karakterisasi perilaku non-

Newtonian dan tergantung pada waktu.

Ada beberapa bentuk yang berbeda dari viskometer rotasi, yaitu 3 bentuk. Seperti yang

dijelaskan sebagai berikut:

1. Concentric Cylinder Viscometer

Viskometer rotasi silinder sesumbu (Concentric Cylinder) dibuat berdasarkan 2 standar,

sistem searle dimana silinder bagian dalam berputar dengan silinder bagian luar diam dan sistem

Couette dimana bagian luar silinder yang diputar sedangkan bagian dalam silinder diam. Fluida yang

akan diukur ditempatkan pada celah diantara kedua silinder persamaan matematis untuk

menghitung viskositas diturunkan dari hukum newton tentang aliran viskositas. Seperti yang

ditunjukan pada Gambar 5.3.



Gambar 5.3. Viskometer rotasi silinder sesumbu (Concentric Cylinder)

Dalam hubungan matematis terdapat beberapa asumsi yang dapat digunakan untuk

menghitung viskositas, yaitu:

1. Aliran laminar dan mantap.

2. Komponen kecepatan radial dan aksial nol.

3. Fluida incompressible.

4. Temperature konstan.

5. Tidak ada slip pada dinding instrumen.

Hubungan antar kecepatan geser dengan tegangan geser mengahasilkan persamaan

viskositas untuk fluida newtonian sebagai berikut:

................................................................................................ (11)

Persamaan viskositas untuk power law sebagai berikut:

..................................................................................... (12)

2. Cone and Plate Viskometer

Prinsip operasi untuk viskometer cone dan plate, yaitu terdiri dari piring melingkar dan

sebuah kerucut dengan jari – jari r dengan sumbu tegak lurus terhadap pelat dan titik pada bidang

permukaan piring seperti yang ditunjukan pada Gambar 5.4. Biasanya, kerucut diputar dengan

kecepatan sudut yang telah diketahui. Fluida ditempatkan antara kerucut dan piring serta

mentransmisikan torsi ke piring. Jika sudut θ antara kerucut dan piring kecil (



shear rate yang seragam atas fluida (Steffe, 1996). Jenis viskometer ini cocok untuk cairan penipisan

geser dan fluida plastik. Selain itu juga cocok untuk pengujian sampel kecil.

Viskometer Cone and Plate adalah alat ukur kekentalan yang memberikan peneliti suatu

instrumen yang canggih untuk menentukan secara rutin viskositas absolut cairan dalam volume

sampel kecil. Cone dan plate memberikan presisi yang diperlukan untuk pengembangan data

rheologi lengkap.

Cara pemakaiannya adalah sampel ditempatkan ditengah-tengah papan, kemudian

dinaikkan hingga posisi dibawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan bermacam

kecapatan dan sampelnya digeser didalam ruang semit antara papan yang diam dan kemudian

kerucut yang berputar.

Gambar 5.4. Cone and Plate Viscometer

Ada beberapa hal yang mempengaruhi akurasi dari alat ini, misalnya:

1. ukuran sample

2. waktu yang dibutuhkan sampel untuk menstabilkan pada pelat sebelum terbaca

3. kebersihan kerucut dan plat

4. jenis bahan, tinggi atau rendah viskositas, ukuran partikel

5. tipe cone, cone rentang yang lebih rendah memberikan akurasi yang lebih tinggi

6. shear rate ditempatkan untuk sampel

Toleransi dari viskometer Brookfield adalah 1% dari Full Scale Range (FSR). FSR adalah nilai

maksium yang mampu diukur oleh alat dengan kombinasi setting Spindle dan Kecepatan putar

spindle yang kita tetapkan. Sedangkan toleransi dari fluida standard adalah 1% dari nilai viskositas

fluida yang bersangkutan.

Dalam hubungan matematis, shear rate pada r dapat dituliskan, sebagai berikut:

............................................................................................................ (13)

Untuk shear stress, perbedaan torsi pada ketebalan (dr) cincin yang berbentuk gelang

dianggap dan integrasi sepanjang r:

.......................................................................................................... (14)



Kemudian shear stress adalah

...................................................................................................................... (15)

Untuk fluida Newtonian:

............................................................................................................... (16)

Untuk fluida Power Law:

.............................................................................................................. (17)

Contoh

Vanila semi solid diuji sifat rheologinya pada suhu 25oC dengan menggunakan viscometer cone and

plate dengan diameter 50 mm dan sudut 1o. Peningkatan kecepatan sudut dan nilai torsi yang

terukur adalah:

Ujilah Model Newtonian, power law, dan Herschel-Bulkley untuk menemukan ekspresi terbaik yang

mewakili perilaku aliran.

Penyelesaian

Menggunakan persamaan 21, yaitu



Bukan Newtonian, terdapat intersep, yaitu yield stress.

Untuk Fluida Power Law, plot logaritmik shear stress dengan shear rate, sebagai berikut:

Slope, n = 0.260. Intercept ln k = 2.581, nilai k =13.210 Pa · (s)n

Ekspresi power law adalah

Model Herschel-Bulkley τyz = τ0 + k(τ˙yz)n

Untuk menentukan nilai τ0 shear stress pada dinding τw diplot dengan shear rate, dan nilai τ0

didapatkan dengan cara ekstrapolasi data

Didapatkan nilai τ0 = 13.5 Pa

Untuk menemukan konstanta model Herschel-Bulkley, linierisasi adalah:



Ekspresi Herschel – Bulkley

TERBAIK adalah nilai koefisien determinasi paling tinggi

3. Parallel Plate Viscometer

Sistem ini terdiri dari dua plat paralel dipisahkan pada jarak h dari satu dengan yang lain.

Pada jenis viskometer ini, sampel ditempatkan dalam celah antara dua plat paralel, diman salah satu

piring diputar dengan kecepatan sudut yang telah diketahui. Sementara yang lain adalah stasioner.

Berbeda dengan sistem cone dan plate, shear rate tidak konstan dalam fluida selama

deformasi tapi berubah sebagai fungsi jarak dari pusat r dalam plat paralel seperti yang ditunjukkan

dalam persamaan berikut:

........................................................................................................................ (18) Dapat ditulis untuk sistem paralel, tapi integrasi rumit karena shear stress sebagai fungsi r, dimana

Persamaan Rabinowitsh-Mooney

.............................................................................................. (19) Fluida Newtonian

................................................................................................................... (20)

Untuk fluida Power Law

........................................................................................................... (21)



Dan

................................................................................................................. (22)

Contoh soal

Sebuah perusahaan makanan mencoba untuk menemukan formulasi sup baru dalam penelitian dan

pengembangan departemen mereka. Sifat reologi dari formulasi sup ditentukan untuk tujuan ini.

Sebuah viskometer plat paralel dengan r = 25 mm dan h = 0,7 mm yang digunakan dalam studi

rheologi. Torsi dengan data kecepatan sudut yang diberikan dalam Tabel diambil pada 15◦C untuk

formulasi ini. Tentukan konstanta daya hukum menggambarkan perilaku aliran sup.

Menggunakan data kecepatan sudut (Ω), shear rate (γ˙R) dapat dihitung dari Persamaan.

Referensi

Steffe, J.F. (1996). Rheological methods in Food Process Engineering, 2nd ed. East Lansing, MI:

Freeman Press (available at www.egr.msu.edu/∼steffe/freebook/offer.html). Wilkes, J.O. (1999). Fluid Mechanics for Chemical Engineering. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. Propagasi

A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal)

1. Sebutkan Jenis-jenis viscometer dan prinsip pengukurannya



B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri)

1. Bagaimana langkah-langkah membentuk persamaan fluida berdasarkan model

Power law, Herschel-Bulkley dan Carson?

C. QUIZ -mutiple choice (Evaluasi)

D. Proyek

Bahas jurnal internasional yang meneliti tentang fluida selain fluida Newtonian.

V. PENGUKURAN VISKOSITASblog.ub.ac.id/ulfahalimi/files/2014/12/Bab-5.-Pengukuran... · 2014. 12....

Documents

Transcript of V. PENGUKURAN VISKOSITASblog.ub.ac.id/ulfahalimi/files/2014/12/Bab-5.-Pengukuran... · 2014. 12....