MODUL II VISKOSITAS Pada modul ini akan dijelaskan pendahuluan, tinjauan pustaka, metodologi praktikum, dan lembar kerja praktikum. I.
PENDAHULUAN Pada bab ini akan dijelaskan mengenai latar belakang praktikum viskositas dan
tujuan praktikum viskositas.
1.1 Latar Belakang Kekentalan adalah sifat dari suatu zat cair (fluida) disebabkan adanya gesekan antara molekul-molekul zat cair dengan gaya kohesi pada zat cair tersebut. Gesekan-gesekan inilah yang menghambat aliran zat cair. Besarnya kekentalan zat cair (viskositas) dinyatakan dengan suatu bilangan yang menentukan kekentalan suatu zat cair. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju perubahan bentuk sudut fluida yang tertentu maka tegangan geser berbanding lurus dengan viskositas. Viskositas adalah gesekan interval, gaya viskos melawan gerakan sebagai fluida relatif terhadap yang lain. Viskositas adalah alasan diperlukannya usaha untuk mendayung perahu melalui air yang tenang, tetapi juga merupakan suatu alasan mengapa dayung bisa bekerja. Efek viskos merupakan hasil yang penting dalam pipa aliran darah. Pelumasan bagian dalam mesin fluida viskos cenderung melekat pada permukaan zat yang bersentuhan dengannya. Diantara salah satu sifat zat cair adalah kental (viskos) dimana zat cair memiliki kekentalan yang berbeda-beda materinya, misalnya kekentalan minyak goreng dengan kekentalan oli. Dengan sifat ini zat cair banyak digunakan dalam dunia otomotif yaitu sebagai pelumas mesin. Telah diketahui bahwa pelumas yang dibutuhkan tiap-tiap mesin membutuhkan kekentalan yang berbeda-beda. Viskositas juga memiliki pengaruh besar dalam dunia manufaktur, sebagai contohnya pengaruh putaran spindel, viskositas, dan variasi cairan pendingin terhadap umur pahat HSS pada proses bubut konvensional. Pada dasarnya dimensi keausan menentukan batasan umur pahat. Dengan demikian kecepatan pertumbuhan keausan menentukan laju saat berakhirnya masa guna pahat. Untuk meminimalisir terjadinya keausan tersebut, dapat digunakan sebuah cairan pendingin yang dapat mengontrol
1
temperatur dan membuang dengan cepat geram hasil pembubutan. Sehingga dapat memperpanjang umur pahat. Alat untuk mengukur viskositas terbagi dalam dua jenis yaitu ada jenis digital dimana nama alatnya adalah viskometer dan jenis manual yaitu menggunakan tabung dan bola besi pejal. Metode manual ini merupakan metode awal yang digunakan untuk mengukur viskositas suatu cairan sebelum adanya viskometer.
1.2 Tujuan Praktikum Tujuan dilakukannya praktikum mengenai viskositas adalah sebagai berikut: 1.
Untuk memahami pengertian dari viskositas.
2.
Untuk memahami jenis alat, prinsip, dan cara pengukuran alat viskositas.
3.
Untuk dapat menganalisa viskositas suatu fluida dari data hasil pengukuran.
4.
Untuk dapat membandingkan hasil pengukuran viskositas digital dan manual.
5.
Untuk memahami aplikasi viskositas dalam industri.
II. TINJAUAN PUSTAKA Bab ini akan menjelaskan terkait dengan landasan teori yang mendukung berjalannya praktikum viskositas serta fungsi-fungsi dari alat yang digunakan untuk mengukur viskositas.
2.1 Pengertian Viskositas Viskositas merupakan pengukuran dari ketahanan fluida yang diubah baik dengan tekanan maupun tegangan. Pada masalah sehari-hari (dan hanya untuk fluida), viskositas adalah "ketebalan" atau "pergesekan internal". Oleh karena itu, air yang "tipis", memiliki viskositas lebih rendah, sedangkan madu yang "tebal", memiliki viskositas yang lebih tinggi. Sederhananya, semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas atau kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara molekulmolekul yang menyusun suatu fluida (fluida itu zat yang dapat mengalir, dalam hal ini zat cair dan zat gas). Viskositas 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 kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul (Rian, 2013).
2
Jadi, viskositas adalah kekentalan suatu fluida yang disebabkan oleh adanya gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Viskositas juga disebut sebagai ketahanan fluida jika menerima gaya dari luar. ᶯ=
2𝑟 2 ×𝑔 (𝜌𝑏 − 𝜌𝑓 )
(2-1)
9𝑣
Keterangan: ᶯ
= Viskositas (Pa.s)
r
= Jari-jari benda (m)
g
= Gravitasi bumi (m/s2)
𝜌𝑏
= Massa jenis benda (kg/m3)
𝜌𝑓
= Massa jenis fluida (kg/m3)
𝑣
= Kecepatan benda (m/s)
2.2 Jenis Viskositas Viskositas alias kekentalan hanya ada pada fluida riil (rill = nyata). Fluida riil/nyata itu fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari, seperti air, sirup, oli, asap knalpot, dan lain-lain. 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 ideal ini yang kita pakai dalam pokok bahasan fluida dinamis). Mirip seperti kita menganggap benda sebagai benda tegar, padahal dalam kehidupan sehari-hari sebenarnya tidak ada benda yang benar-benar tegar/kaku. (Rian, 2013). Viskositas fluida yang berbeda dapat dinyatakan secara kuantitatif oleh koefisien viskositas. Berikut ini adalah tabel viskositas untuk berbagai fluida: Fluida Air
Oli Mesin (SAE 10) Udara Hidrogen Uap Air Sumber: Giancoli (2001)
Tabel 2.1 Koefisien Viskositas untuk Berbagai Fluida Koefisien Viskositas, ᶯ (Pa.s) Temperatur (℃) 0 1,8 × 10-3 20 1,0 × 10-3 100 0,3 × 10-3 30 200 × 10-3 20 0,018 × 10-3 0 0,009 × 10-3 100 0,013 × 10-3
3
2.3 Alat Ukur Viskositas Manual Alat ukur viskositas manual yang sering digunakan adalah dengan menggunakan viskometer bola jatuh (Hopper). Prinsip kerjanya adalah menggelindingkan bola yang terbuat dari besi melalui tabung gelas yang berisi zat cair. Berdasarkan hukum stoke yaitu pada saat kecepatan bola maksimum, terjadi kesetimbangan sehingga gaya gesek sama dengan gaya berat Archimedes (D. Young, 2002). Mempelajari gerak bola yang jatuh ke dalam fluida, walaupun hanya untuk mengetahui bahwa adanya gaya kekentalan pada sebuah bola tertentu didalam suatu fluida tertentu berbanding dengan kecepatan relatifnya. Bila fluida sempurna yang viskositasnya nol mengalir melewati sebuah bola, atau apabila sebuah bola bergerak dalam suatu fluida yang diam, gari-garis arusnya akan berbentuk suatu pola yang simetris sempurna di sekeliling bola itu. Tekanan terhadap sembarang titik permukaan bola yang menghadap arah alir datang tepat sama dengan tekanan terhadap titik lawan. Titik tersebut pada permukaan bola menghadap kearah aliran, dan gaya resultan terhadap bola itu nol (Sudarjo, 2008).
Gambar 2.1 Alat Ukur Viskometer Manual
2.4 Pengertian Viskometer Viskometer adalah alat yang dipergunakan untuk mengukur viskositas atau kekentalan suatu larutan. Kebanyakan viskometer mengukur kecepatan dari suatu cairan mengalir melalui pipa gelas (gelas kapiler), bila cairan itu mengalir cepat maka viskositas cairan itu rendah (misalnya cair) dan bila cairan itu mengalir lambat maka dikatakan viskositasnya tinggi (misalnya madu). Viskositas dapat diukur dengan mengukur laju aliran cairan yang melalui tabung berbentuk silinder. Ini merupakan salah satu cara yang paling mudah dan dapat digunakan baik untuk cairan maupun gas.
4
Viskometer merupakan peralatan yang digunakan untuk mengukur viskositas suatu fluida. Model viskometer yang umum digunakan berupa viskometer bola jatuh, tabung (pipa kapiler), dan sistem rotasi. Viskometer rotasi silinder sesumbu (concentric cylinder) dibuat berdasarkan 2 standar sistem, 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. Jadi viskometer adalah alat untuk mengukur kekentalan suatu fluida berdasarkan kecepatan alir fluida tersebut. Nilai viskositas didapatkan dengan cara mengalirkan fluida yang akan diukur viskositasnya dengan demikian, hambatan yang mengalami benda pemutar atau dialiri akan diketahui dan menunjukkan besar viskositas fluida tersebut.
2.5 Bagian-Bagian Viskometer Digital
1
2
3 4 6 7
Gambar 2.2 Bagian Mesin Viskometer
No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tabel 2.2 Fungsi Bagian Mesin Viskometer Nama Bagian Fungsi LCD Screen Menampilkan set up dan hasil data Operating panel Mengontrol dan memasukkan perintah operasi Elevation adjustment screw Mengatur ketinggian penyangga viskometer Rotor connector Menghubungkan rotor dengan spindle Rotor Mengaduk serta mendeteksi viskositas dan suhu Protection rack for rotor Memberi jarak ruang gerak rotor dengan permukaan wadah, Support stand Menyangga badan viskometer agar dapat berdiri tegak
5
Salah satu bagian dari alat viscometer adalah rotor. Rotor akan dipasang dan berputar di dalam fluida, terdapat 4 jenis rotor dengan kegunaan yang berbeda bergantung pada estimasi viskositas dari sebuah fluida itu sendiri. Dalam penentuan pemilihan rotor dan kecepatan diperlukan tabel, berikut ini adalah tabel yang digunakkan untuk menetukan rotor beserta kecepatan (rpm) untuk mengukur viskositas fluida: Tabel 2.3 Tabel Rotor Range dan Viskositas Rotor 0 1 2 3 Range Viskositas / 2x104 10x104 40x104 0.3 4 4 / 1x10 5x10 20x104 0.6 3 4 / 4x10 2x10 8x104 1.5 3 3 / 2x10 1x10 4x104 3 3 3 100 1x10 5x10 2x104 6 3 50 500 2.5x10 1x104 12 3 20 200 1x10 4x103 30 10 100 500 2x103 60 Sumber: Manual Book Viskometer
4 200x104 100x104 40x104 20x104 10x104 5x104 2x104 1x104
6
III. METODOLOGI PRAKTIKUM Pada bab ini akan dijelaskan mengenai prosedur praktikum dan juga cara penggunaan alat untuk mengukur viskositas.
3.1 Diagram Alir Praktikum Berikut adalah diagram alir dari praktikum viskositas manual.
Gambar 3.1 Diagram Alir Praktikum Viskositas Manual
7
Berikut adalah diagram alir dari praktikum viskositas digital.
Gambar 3.2 Diagram Alir Praktikum Viskositas Digital
8
3.2 Prosedur Praktikum Dibawah ini akan dijelaskan prosedur praktikum viskometer menggunakan alat manual dan digital. Manual Berikut ini merupakan prosedur untuk melakukan praktikum viskositas dengan menggunakan viskometer manual: 1.
Menyiapkan bahan berdasarkan jenisnya masing-masing satu jenis bahan tersedia dalam satu gelas.
2.
Memasukkan masing-masing bahan kedalam dua tabung ukur dengan volume 1 liter yang telah disediakan.
3.
Memasukkan bola ke dalam dua fluida sebanyak 10 kali replikasi dengan mencatat waktu jatuhnya bola hingga ke dasar tabung.
4.
Mencatat hasil waktu pada worksheet.
Digital Keterangan: 1.
Terdapat 2 jenis fluida yang akan digunakan, masing-masing fluida memiliki 2 perlakuan suhu, yakni suhu ruang dan dingin.
2.
Rotor dan kecepatan yang digunakan: a.
Sabun 1) Suhu Sedang: Rotor 3 (30 rpm) 2) Suhu Dingin: Rotor 2 (6 rpm)
b.
Minyak 1) Suhu Sedang: Rotor 1 (12 rpm) 2) Suhu Dingin: Rotor 2 (60 rpm)
Berikut ini merupakan prosedur untuk melakukan praktikum viskositas dengan menggunakan viskometer digital: 1.
Menyiapkan bahan berdasarkan jenisnya masing-masing satu jenis bahan tersedia dalam dua gelas.
2.
Memasukkan masing-masing bahan kedalam gelas beaker sebanyak 250 ml.
3.
Menyiapkan peralatan viskometer dengan rotor yang sesuai dengan jenis bahan.
4.
Memasangkan rotor yang akan digunakan sesuai dengan jenis bahan.
5.
Menyalakan alat viskometer digital.
9
6.
Menekan OK lalu memasukkan nomor rotor dan besar kecepatan (rpm) ke dalam alat.
7.
Menurunkan rotor hingga tercelup ke dalam fluida yang digunakan.
8.
Menekan OK.
9.
Mencatat hasil viskositas, presentase viskositas dan suhu fluida.
10. Mengulangi dengan jenis fluida dengan rotor dan rpm yang berbeda.
IV. LEMBAR KERJA PRAKTIKUM Pada bab ini terdapat gambaran umum praktikum, tabel hasil pengukuran viskositas menggunakan viskometer serta tabung dan bola, dan analisis hasil pengukuran viskositas.
4.1 Gambaran Umum Praktikum Berikut ini adalah penjelasan mengenai benda kerja yang dilakukan pengukuran massa jenisnya sebagai berikut. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... .....................................................................................................................................
10
4.2 Tabel Hasil Pengukuran Viskositas Menggunakan Viskometer Bahan
Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Viskositas menggunakan Viskometer Data Viskositas Persentase Perlakuan Rotor Rpm Suhu (0C) (Mpa.s) (%) Dingin
2
6
Sedang
3
30
Dingin
2
60
Sedang
1
12
Hasil Viskositas (Mpa.s)
Sabun
Minyak
4.3 Tabel Hasil Pengukuran Viskositas Menggunakan Tabung dan Bola Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Viskositas Menggunakan Tabung dan Bola Waktu (s) Replikasi
Bahan 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rata-rata Waktu dari 10 Replikasi
Viskositas (Mpa.s)
Sabun
Minyak
4.4 Analisis Hasil Pengukuran Viskositas Analisis yang didapat dari hasil pengukuran viskositas kedua cairan tersebut yaitu: 1.
Jika menggunakan viskositas digital apakah ada pengaruh suhu terhadap viskositas cairan? Jelaskan jika ada pengaruhnya!
2.
Apakah ada perbedaan viskositas jika diukur dengan kecepatan (rpm) yang berbeda?
3.
Apakah ada perbedaan antara pengukuran kekentalan suatu fluida berdasarkan digital dengan manual? Jika ada apa penyebabnya?
4.
Pada pengukuran viskositas manual, jelaskan hubungan antara waktu tempuh bola dengan kekentalan suatu cairan!
5.
Contoh pengaplikasian di industri menurut anda?
.......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... ..........................................................................................................................................................
11
.......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................... ..........................................................................................................................................................
12
