Kimia fisika II Viskositas

Download Kimia fisika II Viskositas

Post on 07-Jan-2017

205 views

Category:

Science

10 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>VISKOSITASA. Pengertian ViskositasCairan mempunyai gaya gesek yang lebih besar untuk mengalir daripada gas. Sehingga cairan mempuyai koefisien viskositas yang lebih besar daripada gas. Viskositas gas bertambah dengan naiknya temperatur. Koefisien gas pada tekanan tidak terlalu besar, tidak tergantung tekanan, tetapi untuk cairan naik dengan naiknya tegangan.Viskositas (kekentalan) dapat diartikan sebagai suatu gesekan di dalam cairan zat cair. Kekentalan itulah maka diperlukan gaya untuk menggerakkan suatu permukaan untuk melampaui suatu permukaan lainnya, jika diantaranya ada larutan baik cairan maupun gas mempunyai kekentalan air lebih besar daripada gas, sehingga zat cair dikatakan lebih kental daripada gas.Viskositas adalah suatu cara untuk menyatakan berapa daya tahan dari aliran yang diberikan oleh suatu cairan. Kebanyakan viscometer mengukur kecepatan dari suatu cairan mengalir melalui pipa gelas (gelas kapiler). Definisi lain dari viskositas adalah ukuran yang menyatakan kekentalan suatu cairan atau fluida. Kekentalan merupakan sifat cairan yang berhubungan erat dengan hambatan untuk mengalir. Viskositas cairan akan menimbulkan gesekan antar bagian atau lapisan cairan yang bergerak satu terhadap yang lain. Hambatan atau gesekan yang terjadi ditimbulkan oleh gaya kohesi di dalam zat cair.</p> <p>Di dalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas.Viskositas zat cair dapat ditentukan secara kuantitatif dengan besaran yang disebut koefisien viskositas.Satuan SI untuk koefisien viskositas adalah Ns/m2 atau pascal sekon (Pa s).Satuan cgs (centimeter gram sekon) untuk SI koifisien viskositas adalah dyn.s/cm2 = poise (p). Viskositas juga sering dinyatakan dalam centipoise (cP). 1 cP = 1/1000 P. Satuan Poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Prancis, almarhum Jean Louis Marie Poiseuille. 1 Poise = 1 dyn. s/cm2 = 10-1 N.s/m2</p> <p>Zat cair lebih kental (viskositasnya) daripada gas, sehingga untuk mengalirkan zat cair diperlukan gaya yang lebih besar dibandingkan dengan gaya yang diberikan untuk mengalirkan gas. Zat cair mempunyai beberapa sifat sebagai berikut :a) Apabila ruangan lebih besar dari volume zat cair akan terbentuk permukaan bebas horizontal yang berhubungan dengan atmosfer.b) Mempunyai rapat masa dan berat jenis.c) Dapat dianggap tidak termampatkan.d) Mempunyai viskositas (kekentalan).e) Mempunyai kohesi, adesi dan tegangan permukaan.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 fluidaFluida 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.Viskositas atau kekentalan hanya 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.FluidaTemperatur (o C)Koofisien Viskositas</p> <p>Air01,8 x 10-3</p> <p>201,0 x 10-3</p> <p>600,65 x 10-3</p> <p>1000,3 x 10-3</p> <p>Darah (keseluruhan)374,0 x 10-3</p> <p>Plasma Darah371,5 x 10-3</p> <p>Ethyl alkohol201,2 x 10-3</p> <p>Oli mesin (SAE 10)30200 x 10-3</p> <p>Gliserin010.000 x 10-3</p> <p>201500 x 10-3</p> <p>6081 x 10-3</p> <p>Udara200,018 x 10-3</p> <p>Hidrogen00,009 x 10-3</p> <p>Uap air1000,013 x 10-3</p> <p>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.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/RTA 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.B. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi ViskositasFaktor- fator yang mempengaruhi viskositas adalah sebagai berikut :a) TekananViskositas cairan naik dengan naiknya tekanan, sedangkan viskositas gas tidak dipengaruhi oleh tekanan.b) TemperaturViskositas 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 cairan akan turun dengan kenaikan temperatur.c) Kehadiran zat lainPenambahan gula tebu meningkatkan viskositas air.Adanya bahan tambahan seperti bahan suspensi menaikkan viskositas air. Pada minyak ataupun gliserin adanya penambahan air akan menyebabkan viskositas akan turun karena gliserin maupun minyak akan semakin encer, waktu alirnya semakin cepat.d) Ukuran dan berat molekulViskositas naik dengan naiknya berat molekul.Misalnya laju aliran alkohol cepat, larutan minyak laju alirannya lambat dan kekentalannya tinggi seta laju aliran lambat sehingga viskositas juga tinggi.e) Berat molekulViskositas akan naik jika ikatan rangkap semakin banyak.f) Kekuatan antar molekulViskositas air naik denghan adanya ikatan hidrogen, viskositas CPO dengan gugus OH pada trigliseridanya naik pada keadaan yang sama.g) Konsentrasi larutanViskositas berbanding lurus dengan konsentrasi larutan. Suatu larutan dengan konsentrasi tinggi akan memiliki viskositas yang tinggi pula, karena konsentrasi larutan menyatakan banyaknya partikel zat yang terlarut tiap satuan volume. Semakin banyak partikel yang terlarut, gesekan antar partikrl semakin tinggi dan viskositasnya semakin tinggi pula.</p> <p>C. Hukum-hukum Viskositasa. Hukum PoiseuilleSuatu fluida tidak kental bias mengalir melalui pipa yang bertingkat tanpa adanya gaya yang diberikan. Pada fluida kental (viskos) diperlukan perbedaan tekanan Antara ujung-ujung pipa untuk menjaga kesinambungan aliran, apakah air atau oli pada pipa atau darah pada system sirkulasi manusia.Banyaknya cairan yang mengalir persatuan waktu melalui penampang melintang terbentuk silinder berjari-jari r,yang panjangnya L,selain ditentukan oleh beda tekanan ( pada kedua ujung yang memberikan gaya pengaliran juga ditentukan oleh viscositas cairan dan luas penampang pipa.Hubungan tersebut dirumuskan oleh viscositas cairan dan luas penampang pipa.Hubungan tersebut dirumuskan oleh Poiseuille yang dikenal dengan hukum Poiseuille sebagai :</p> <p>Dengan Q adalah kecepatan aliran volume (volume cairan V yang melewati pipa persatuanwaktu (t) dinyatakan dalam satuan SI m3/S).</p> <p>Keterangan : : viskositas cairan (Nm-2. s) atau Poiset : waktu yang diperlukan cairan dengan volume mengalir melalui alat (s).v :volume total cairan (L) : tekanan pada cairan (Pa)/atmr : jari-jari tabung (m)L : panjang pipa (m)Persamaan diatas memperlihatkan bahwa Q berbanding terbalik dengan viskositas cairan.Semakin besar viskositas,hambatan aliran juga semakin besar sehingga Q menjadi rendah.Kecepatan aliran volume juga sebanding dengan gradien tekanan /L dan pangkat empat jari-jari pipa.Ini berarti bahwa jika r diperkecil sehingga menjadi setengahnya,maka akan dibutuhkan 16 kali lebih besar tekanan untuk memompa cairan lewat pipa pada kecepatan aliran volume semula persamaan ini berlaku untuk gas dan juga pipa cairan.</p> <p>b. Hukum StokesApabila benda padat bergerak dengan kecepatan tertentu dalam medium fluida kental, maka benda tersebut akan mengalami hambatan yang diakibatkan oleh gaya gesekan fluida. Gaya gesek tersebut sebanding dengan kecepatan relative gerak benda terhadap medium dan viskositasnya. Besarnya gaya gesekan fluida telah dirumuskan sebelumnya sebagai:</p> <p>Dimana k adalah koefisien yang besarnya bergantung bentuk geometric benda. Dari hasil percobaan, untuk benda berbentuk bola dengan jari-jari r diperoleh k = 6r. Dengan memasukkan nilai k diperoleh:F = 6 r vPersamaan ini pertama kali dinyatakan oleh Sir George Stokes (1845) yang dikenal dengan hokum Stokes. Bila gaya F diterapkan pada partikel berbentuk bola dalam larutan, maka Stokes menunjukkan bahwa untuk aliran Laminar berlaku:f = 6 r vdimana f adalah koefisien gesek dari partikel.</p> <p>Hokum stokes berdasarkan jatuhnya benda melalui medium zat cair. Benda bulat dengan radius r dan rapat d, yang jatuh karena gaya gravitasi fluida dengan rapat dm, akan dipengaruhi oleh gaya gravitasi sebesar :Benda yang jatuh mempunyai kecepatan yang makin lama makin besar. Tetapi dalam medium ada gayagesek, yang makin besar bila kecepatan benda jatuh makin besar. Pada saat kesetimbangan, besarnya kecepatan benda jatuh tetap,V. Menurut George G. Stokes, untuk benda bulat tersebut besarnya gaya gesek pada kesetimbangan:</p> <p>f2 = 6 r vf1 = f2</p> <p>rumus ini berlaku bila jari-jari benda yang jatuh relative besar bila dibandingkan dengan jarak antar molekul-molekul fluida. Hukum stokes merupakan dasar viscometer bola jatuh. Viscometer ini terdiri atas gelas silinder dengan cairan yang akan diteliti dan dimasukkan dalam thermostat.</p> <p>Pada kecepatan terminal, resultan yang bekerja pada bola sama dengan nol. Misalnyasumbu vertikal ke atas sebagai sumbu positif, maka pada saat kecepatan terminal tercapai berlaku berlaku persamaan berikut.</p> <p>Untuk benda berbentuk bola seperti pada gambar diatas, maka persamaannya menjadi seperti berikut.</p> <p>Keterangan:</p> <p>vT:kecepatan terminal (m/s): koefisienviskositas fluida(Pa s)R: jari-jari bola (m)g: percepatan gravitasi (m/s2)b: massa jenis bola (kg/m3)f: massa jenis fluida (kg/m3)</p> <p>D. Alat Ukur ViskositasCara menentukan viskositas suatu zat menggunakan alat yang dinamakan viskometer. Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan antara lain :1) Viscometer OswaldYang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah cairan tertentu untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh berat cairan itu sendiri. Jumlah tekanan (P) dalam hokum Poiseuille adalah perbedaan tekanan Antara kedua permukaan cairan, dan berbanding lurus dengan berat jenis cairan ().Dalam praktek R dan L sukar diukur secara teliti dalam persamaan Poiseuille. Karenanya viskositas cairan ditetapkan dengan cara membandingkannya dengan cairan yang mempunyai viskositas tertentu, misalnya air.Viskositas cairan ditentukan berdasarkan persamaan Poiseuille. Besarnya koefisien viskositas untuk fluida :</p> <p>V = volume cairan dengan viskositas yang mengalir selama t melalui tabung kapiler dengan jari-jari r dan panjang I di bawah tekanan P dyne/cm2.Untuk dua zat cair dengan tabung kapiler sama, maka :</p> <p>Karena tekanan berbanding lurus dengan rapatnya, maka :</p> <p>Jadi bila , d2 , dan d1 diketahui, maka dengan mengukur waktu yang diperlukan untuk mengalir malalui kapiler, dapat sitentukan .Penetapan ini dapat dilakukan dengan Viskometer Ostwald. Sejumlah zat cair dimasukkan dalam viscometer yang diletakkan dalam thermostat. Cairan ini diisap dengan pompa ke dalam bola B, hingga permukaan cairan di atas a. cairan dibiarkan mengalir ke bawah dan waktu yang diperlukan untuk mengalir dari a ke b dicatat dengan stopwatch. Percobaan diulangi dengan cairan pembanding setelah dibersihkan. Dengan ini dapat ditentukan t1 dan t2. Persamaan yang dapat digunakan adalah:</p> <p>sehingga</p> <p>Dimana:P : konstanta : densityHubungan antara viskosits dan suhu pertama kali ditemukan oleh Carransicle pada tahun 1913. Pada viskositas Ostwald yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah cairan tertentu mengaliri pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh gaya beratnya sendiri. Pengukuran viskositas merupakan cara termudah dan termurah dalam menentukan berat molekul makro. 2) Viskometer HopplerYang diukur adalah waktu yang diperlukan oleh sebuah bola untuk melewati cairan pada jarak atau tinggi tertentu.Karena adanya gravitasi benda yang j...</p>