VISKOSITAS ZAT CAIR

DASAR TEORI

Konsep Viskositas

Viskositas atau kekentalan merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Yang dimaksud dengan fluida adalah gaya gesekan internal fluida (internal = dalam). Jadi molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek menggesek ketika fluida tersebut mengalir. Pada zat cair Viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesil (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 adalah air. Sebaliknya fluida yang lebih kental, lebih sulit mengalir, sebagai contoh minyak goreng, oli, madu. Tingkat kekentalan suatu fluida juga tergantung pada suhu semakin tinggi suhu zat cair, semakin kental zat cair tersebut. Perlu diketahui, bahwa Viskositas atau kekentalan Cuma ada pada fluida riil. Yang dimaksud fluida riil adalah fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Seperti air, sirup, oli, asap knalpot.

Koefisien Viskositas

Viskositas fluida dilambangkan dengan symbol h (eta). Jadi tingkat kekentalan suatu fluida dinyatakan oleh koefisien viskositas bisa dinyatakan dengan persamaan. Lapisan fluida tipis ditempatkan diantara dua pelat sejajar. Lapisan fluida tipis ditempatkan diantara. Kohesi adalah gaya tarik menarik antara molekul tidak sejenis. Gaya adhesi bekerja antara pelat dan lapisan fluida yang menempel dengan pelat (molekul fluida dan molekul pelat saling tarik-menarik). Sedangkan gaya kohesi bekerja diantara selaput fluida (molekul fluida saling tarik menarik).

Perubahan kecepatan lapisan fluida (V) dibagi jarak terjadinya perubahan (ℓ) = V   _.  V  dikenal dengan gradient kecepatan. 

I      I

       Pelat yang berada disebelah atas dapat bergerak karena adanya gaya tarik menarik (F). Untuk fluida tertentu, besarnya gaya tarik yang dibutuhkan berbanding lurus dengan luas fluida yang menempel dengan pelat (A), laju fluida (V) dan berbanding terbalik dengan jarak ℓ.

       Secara matematis dapat ditulis F ~ AV  → (1).

 ℓ

       Tingkat kekentalan fluida dinyatakan dengan koefisien Viskositas. Jika fluida makin kental maka gaya tarik yang dibutuhkan juga makin besar. Dalam hal ini, gaya tarik berbanding lurus dengan koefisien kekentalan. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

                        F ~ h ® (2)

       Disubstitusikan persamaan 1 ke persamaan ke 2

                        F ~ h AV → (3)

                                    ℓ

Persamaan 3 dapat ditulis sebagai berikut :

                    F       = h AV

                                             ℓ

                        F.ℓ       = h AV

                            h      = Fℓ

                                        AV

Dengan :

h = Koefisien Viskositas (Ns/m²) = Pa . S

                         F = Gaya

                         ℓ = Jarak

                         A = Luas Permukaan

                         V = Laju

                         ~ = Sebanding

Persamaan Poiseuille

Persamaan Poiseuille ini kita turunkan menggunakan bantuan persamaan koefisien Viskositas yang telah diturunkan sebelumnya. Ketika menurunkan persamaan koefisien Viskositas, terlebih dahulu meninjau aliran lapisan fluida riil antara 2 pelat sejajar dan fluida tersebut bisa bergerak karena gaya tarik (F).

F = h AV

                               ℓ

Karena fluida bisa mengalir akibat adanya perbedaan tekanan (fluida) mengalir dari tempat yang tekanannya tinggi ke tempat yang tekanannya rendah, maka F diganti dengan P₁ – P₂  (P₁ ) P₂) . (P₁ – P­_2­) = h AV …………… (i)

                                                                                    ℓ

Pada percobaan bola kecil dijatuhkan ke dalam cairan yang hendak di ukur angka kekentalannya. Bola tersebut mula-mula akan mengalami percepatan karena gaya beratnya. Tetapi karena sifat kekentalan cairan besar, percepatan ini makin berkurang dan akhirnya nol. Pada saat tersebut, kecepatan ini makin berkurang dan disebut “Kecepatan Terminal”. Hubungan antara kecepatan terminal dengan angka kekentalan dapat diperoleh dari Hukum Stokes :

                 Vm = 2r²g  (r - r₀)……………. (1)

                                     h

Dimana : Vm = Kecepatan terminal (cm/at)

h       = Angka kekentalan

 r    = Jari-jari bola

 g    = Percepatan gravitasi bumi (cm/at²)

 r    = Rapat massa bola (gr/cm³)

 r₀   = Rapat massa cairan (gr/cm³)

Pada persamaan 1 dianggap bahwa diameter tabung relatif sangat besar dibanding dengan diameter bola. Bila perbandingan kedua diameter tersebut tidak terlalu besar perlu ditambah faktor koreksi terhadap persamaan tersebut, yaitu :

                 F = ( 1 + 2,4 r  )

                                             R

Dengan : r = Jari-jari tabung bagian dalam

 R = 1,76 cm

Sehingga persamaan 1 menjadi

                 h = m (r . r₀)   ..................... (2)

                                   F.Vm

Dengan : F = (1 + 1,36 r)

 m = 2

                             g

Dengan demikian bila harga r dan r₀ diketahui, sedangkan harga r dan Vm diukur, maka harga h dapat dari persamaan 2.

Ketika menurunkan persamaan koefisien viskositas, kita meninjau aliran lapisan fluida riil antara 2 pelat sejajar. Setiap bagian fluida tersebut mengalami perubahan kecepatan teratur sejauh ℓ. Untuk kasus ini laju aliran fluida mengalami perubahan secara teratur dari sumbu tabung sampai ke tepi tabung. Fluida yang berada di sumbu tabung mengalir dengan laju (V) yang lebih besar semakin ke pinggir, laju fluida semakin kecil. Jari-jari tabung = jarak antara sumbu tabung dengan tepi tabung = R. Jarak antara setiap bagian fluida dengan tepi tabung = r. Karena jumlah setiap bagian fluida itu sangat banyak dan jaraknya dari tepi tabung juga berbeda-beda, maka kita cukup menulis :

V₁ = Laju fluida yang berada pada jarak r₁ dari tepi tabung (r₁ = R)

V₂ = Laju fluida yang berada pada jarak r₂ dari tepi tabung (r₂ < r₁)

V₃ = Laju fluida yang berada pada jarak r₃ dari tepi tabung (r₃ < r₂ < r₁)

V₄ = Laju fluida yang berada pada jarak r₄ dari tepi tabung (r₄ < r₃ < r₂ < r₁)

Vn = Laju fluida yang berada pada jarak r_n dari tepi tabung (r_n < ….. r₄ < r₃ < r₂ < r₁).

Jumlah setiap bagian fluida sangat banyak dan kita juga tidak tahu secara pasti berada jumlahnya yang sebenarnya, maka cukup ditulis dengan symbol n. Setiap bagian fluida mengalami perubahan laju (V) secara teratur, dari sumbu tabung (r₁ = R) sampai tepi tabung (r_n). Dari sumbu tabung (r_n) laju setiap bagian fluida makin kecil (V₁ > V₂ > V₃ > V₄ ….. > Vn). Cara praktis untuk menentukan terjadinya persamaan perubahan laju aliran fluida riil dalam tabung adalah menggunakan kalkulus. Dari penjelasan diatas mempunyai gambaran bahwa dari R ke r_n, laju fluida semakin kecil.

* Panjang pipa = L, maka akan diperoleh persamaan :

   (P₁ – P₂) = h V DL       ……………….. (ii)

                                                  (R² – r²)

Karena yang kita tinjau adalah laju (V) aliran fluida, maka persamaan 2 menjadi

                 h DL = (P₁ – P₂) (R² – r²)

                     V  = (P₁ – P₂) (R₂ – r²)

                                       4 hL

                            V  = (R² – r²) (P₁ – P₂) …………… (iii)

                                        4h           L

Persamaan laju aliran fluida pada jarak r dari pipa yang berjari-jari R. Perlu diketahui bahwa fluida mengalir dalam pipa, sehingga perlu meninjau laju aliran volume fluida tersebut.

KESIMPULAN

·         Fluida riil berbeda dengan fluida ideal.

·         Fluida ideal tidak ada dalam kehidupan sehari-hari.

·         Zat cair lebih kental dari zat gas.

·         Viskositas = gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida.

·         F ~ AL

                     ℓ

*     h = F ℓ

                      AV

Dengan : h = Koefisien Viskositas

  F = Gaya

  ℓ = Jarak

  A = Luas Permukaan

  V = Laju

   ~ = Sebanding

*     F = h AV

                           ℓ