VISKOSITAS

A. Pengertian Viskositas

Cairan 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.

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

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 fluida

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.

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.

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

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/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.

B. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Viskositas

Faktor- fator yang mempengaruhi viskositas adalah sebagai berikut :

a) Tekanan

Viskositas cairan naik dengan naiknya tekanan, sedangkan viskositas gas

tidak dipengaruhi oleh tekanan.

b) Temperatur

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 cairan akan

turun dengan kenaikan temperatur.

c) Kehadiran zat lain

Penambahan 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 molekul

Viskositas 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 molekul

Viskositas akan naik jika ikatan rangkap semakin banyak.

f) Kekuatan antar molekul

Viskositas air naik denghan adanya ikatan hidrogen, viskositas CPO dengan

gugus OH pada trigliseridanya naik pada keadaan yang sama.

g) Konsentrasi larutan

Viskositas 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.

C. Hukum-hukum Viskositas

a. Hukum Poiseuille

Suatu 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 (∆ P¿ 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 :

Q=(∆ P ) π r4

8ŋ Latau v

t=

(∆ P ) π r4

8 ŋ L

Dengan Q adalah kecepatan aliran volume (volume cairan V yang

melewati pipa persatuanwaktu (t) dinyatakan dalam satuan SI m3/S).

Keterangan :

ŋ : viskositas cairan (Nm-2. s) atau Poise

t : waktu yang diperlukan cairan dengan volume mengalir melalui alat (s).

v :volume total cairan (L)

ρ : tekanan pada cairan (Pa)/atm

r : 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 ∆ P/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.

b. Hukum Stokes

Apabila 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:

F=ŋ ∆ VZ

atau F= AZ

ŋV =k ŋ V

Dimana k adalah koefisien yang besarnya bergantung bentuk geometric

benda. Dari hasil percobaan, untuk benda berbentuk bola dengan jari-jari r

diperoleh k = 6πr. Dengan memasukkan nilai k diperoleh:

F = 6 π r ŋ v

Persamaan 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 π r ŋ v

dimana f adalah koefisien gesek dari partikel.

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 :

f 1=43

π r3 (d−dm ) g

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:

f2 = 6 π r ŋ v

f1 = f2

43

πr 3 ( d−dm ) g=6 π r ŋ v

ŋ=2 r2(d−dm)

9 v

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.

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.

Untuk benda berbentuk bola seperti pada gambar diatas, maka persamaannya

menjadi seperti berikut.

Keterangan:

vT :kecepatan terminal (m/s)

η: koefisien viskositas fluida (Pa s)

R : jari-jari bola (m)

g : percepatan gravitasi (m/s2)

ρb : massa jenis bola (kg/m3)

ρf : massa jenis fluida (kg/m3)

D. Alat Ukur Viskositas

Cara menentukan viskositas suatu zat menggunakan alat yang dinamakan

viskometer. Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan antara lain :

1) Viscometer Oswald

Yang 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 (ρ).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 :

η=πP r4 t8 I V

V = volume cairan dengan viskositas η 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 :

η1

η2=

π P1r 4 t1

8 I V. 8 I V

π P1r 4 t1

=P1t 1

P2t 2

Karena tekanan berbanding lurus dengan rapatnya, maka :

η1

η2=

P1 t1

P2 t2=

d1t 1

d2t 2

Jadi bila η2, d2 , dan d1 diketahui, maka dengan mengukur waktu yang

diperlukan untuk mengalir malalui kapiler, dapat sitentukan η1.

Penetapan η❑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:

ŋ=π R4 ( Pt )

8V L

sehingga

ŋ1

ŋ2=

π R4(Pt )8 VL R4 × 8 V '

(Pt )2

Dimana:

P :ρ × konstanta

ρ : density

Hubungan 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 Hoppler

Yang diukur adalah waktu yang diperlukan oleh sebuah bola untuk melewati

cairan pada jarak atau tinggi tertentu.Karena adanya gravitasi benda yang

jatuh melalui medium yang berviskositas dengan kecepatan yang semakin

besar sampai mencapai kecepatan maksimum. Kecepatan maksimum akan

dicapai jika gaya gravitasi (g) sama dengan gaya tahan medium (f) besarnya

gaya tahan (frictional resistance) untuk benda yang berbentuk bola stokes.

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.

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.