rheologi -...
TRANSCRIPT
3/12/2013
1
Rheologi Rini Yulianingsih
Klasifikasi Rheologi
Sifat-sifat rheologi didefinisikan sebagai sifat mekanik yang
menghasilkan deformasi dan aliran bahan yang
disebabkan karena adanya stress
3/12/2013
2
ALIRAN BAHAN
Hukum Newton - Viskositas
Fluid Model
BrookFIELD
Stationary Plate
Moveable Plate A=Area cm2 A=Area cm2
Y =
Distance
F = Force V=Velocity
3/12/2013
3
• Data eksperimen gaya yang diperlukan untuk
mempertahankan gerakan plat bagian bawah per unit luasan
proporsional dengan gradien kecepatan, dan konstanta
proposionalitas adalah viskositas fluida.
Bentuk mikroskopis persamaan ini hukum newton viskositas
τyz = shear stress (N/m2),
μ = viscosity (Pa·s),
γ˙yz = shear rate (1/s).
z menunjukkan arah gaya,
y menyajikan arah normal terhadap permukaan dimana gaya bekerja
3/12/2013
4
APLIKASI
BrookFIELD
Consider…
Shear Rate adalah gradien kecepatan (profil aliran kecepatan dalam pipa, wadah pengadukan atau permukaan yang menurun)
Shear Stress pada fluida dihasilkan dari gaya yang di aplikasikan pada sistem (input torsi pompa atau mixer, gaya scraping pisau, atau gaya pengeluaran gravitasi pada tangki penyimpanan)
Contoh: Dua plat paralel terpisah 0.1 m. Plat bawah diam sementara
bagian atas bergerak dengan kecepatan V. Fluida diantara
plat adalah air yang memiliki viskositas 1 cp.
a. Hitung fluks momentum yang diperlukan untuk
mempertahankan gerakan plat atas pada kecepatan 0.30
m/s
b. Jika air diganti dengan fluida dengan viskositas 100 cp,
fluks momentum tetap konstan, temukan kecepatan baru
plat atas
1 cp = 1 x 10-3 Pa.s
3/12/2013
5
Penyelesaian a. w = 1 cp = 1 x 10-3 Pa.s
Hukum newton viskositas digunakan untuk menentukan shear
stress
Viskositas • Definisi: Ketahanan fluida untuk mengalir
• Satuan: Pa.s atau poise
• Bervariasi terhadap suhu. Perbedaan pengaruh suhu
terhadap viskositas berhubungan dengan perbedaan
struktur molekul
Difusivitas Momentum / Viskositas Kinematik
• Analogi : difusivitas thermal, difusivitas massa
• Satuan : m2/s atau stoke (cm2/s)
• Merupakan rasio viskositas terhadap densitas fluida
= /
3/12/2013
6
Fluida Viscous
Newtonian
Shear-Thickening
Shear-Thinning
Bingham
1. Fluida Newtonian • Memenuhi hukum newton fluida
• Slope antara shear stress vs shear rate (viskositas)
konstan
2. Fluida Non-Newtonian
• Tidak memenuhi hukum newton fluida
• Fluida shear thinning atau shear thickening mengikuti
persamaan Ostwald-de Waele
k : koefisien konsistensi (Pa.sn)
n : indeks periaku aliran
3/12/2013
7
• Untuk fluida shear thinning (pseudoplastik) n < 1
• Untuk fluida shear thickening (dilatant) n > 1
• Fluida newtonian n = 1, k =
• Slope shear stress dan shear rate tidak konstan pada
fluida non newtonian
• apparent viscosity () atau kekonsistensian digunakan
untuk fluida non-newtonian
3/12/2013
8
Fluida Shear Thinning (Pseudoplastik) • Peningkatan shear rate gesekan antar lapisan menurun
• Geseran menyebabkan pelibatan, molekul rantai panjang
menjadi lurus dan selaras mengikuti aliran viskositas
menurun.
• Contoh: Cat dan Tinta
• Contoh produk : pisang murni, konsentrat jus buah
• Krokida, et,al (2001) : koefisien konsistensi k meningkat
secara eksponensial sementara indeks perilaku aliran (n)
sedikit menurun terhadap konsentrasi (n 0.5 untuk
produk pulpy, n 1 untuk jus jernih)
3/12/2013
9
Fluida Shear-Thickening • Shear rate meningkat gesekan internal dan viskositas
apparent meningkat
• Analogi:
– Orang yang jatuh dalam rawa akan mencoba untuk melepaskan diri
sesegera mungkin
– Bergerak dalam kepanikan geseran tiba-tiba
– Semakin mencoba untuk melepaskan diri gaya yg diperlukan
semakin besar
• Berjalan dalam pasir basah di pantai
• Jika suspensi air-pasir ada untuk beberapa waktu fraksi
kosong yg ditempati air minimal
• Beberapa geseran akan menggangu di dekat bagian yg
padat dan fraksi kosong meningkat.
• Air tidak akan cukup mengisi ruang antara butiran pasir
dan pelumasan yang kurang akan menyebabkan
peningkatan ketahanan untuk mengalir
• Contoh: Pati yang belum dimodifikasi (jagung, gandum,
beras, kentang, dll)
3/12/2013
10
• VIDEO
3. Fluida Plastik 3.a. Fluida plastik Bingham
• Fluida tetap rigid ketika shear stress sedikit lebih kecil dari
yield stress (0), tetapi mengalir seperti fluida newtonian
ketika shear stress melebihi 0
• Contoh: Pasta gigi, saos tomat, mayonnaise dan kecap
3/12/2013
11
3.b. Fluida Plastik Non-Bingham
• Sama dengan bingham, namun shear stress vs shear rate
tidak linier (bisa shear thinning atau shear thickening)
yz = 0 + k(˙yz)n Model Herschel-Bulkley
Contoh: Pasta daging ikan halus, pasta kismis
(yz)0.5 = (0)
0.5 + k(˙yz)0.5 Model Casson
Contoh: Lelehan susu coklat
Ketergantungan waktu
Ketika beberapa cairan dikenakan tegangan geser konstan,
cairan tersebut menjadi lebih tipis (atau tebal) seiring
dengan berjalannya waktu
3/12/2013
12
• Cairan yang menunjukkan penurunan tegangan geser dan
viskositas apparent terhadap waktu pada tegangan geser
tetap disebut cairan thixotropic (geseran menipis terhadap
waktu).
• Fenomena ini mungkin disebabkan oleh kerusakan pada
struktur bahan sebagaimana geseran berlangsung terus.
• Contoh: Gelatin, putih telur
• Perilaku Thixotropic mungkin reversibel, sebagian
reversibel, atau irreversible ketika geseran yang
diaplikasikan dipindahkan (fluida dalam kondisi istirahat).
Thixotropy ireversibel disebut rheomalaxis atau
rheodestruction
3/12/2013
13
• Perilaku Thixotropic produk bisa dipelajari dengan
meningkatkan shear stress atau shear rate diikuti oleh
penurunan. Jika shear stress diukur sebagai fungsi dari
shear rate, sebagaimana nilai shear rate awalnya
meningkat dan kemudian menurun, sebuah loop histeresis
akan diamati dalam kurva shear stress terhadap shear rate
• Dalam fluida rheopectic (shear thickening terhadap waktu),
shear stress dan viskositas apparent meningkatkan
viskositas terhadap waktu, yaitu, struktur dibangun
sebagaimana geseran berlangsung
Pasta pati – gula - susu
Jika di proses pada suhu 85 and 95◦C thixotropic
Jika diproses pada suhu 75◦C rheopectic
3/12/2013
14
Thank You