Sifat-sifat Fisis Fluida

Transkripsi

1 Universitas Gadjah Mada Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Prodi Sarjana Teknik Sipil Sifat-sifat Fisis Fluida 1

2 Acuan White, Frank M., 2011, Fluid Mechanics, 7 th EdiGon, The McGraw-Hill Book Co., New York. Chapter 1, SecGon 1.4 to 1.9, pp Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introduc5on to Fluid Mechanics, 5 th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ. Chapter 1, pp

3 Pengantar 3

4 Fisika dan Teknik Sipil Apakah itu: Fisika? Teknik sipil? Beri contoh atau ilustrasi! Fisika di bidang teknik sipil, atau kaitan fisika dan teknik sipil 4

5 Fisika dan Teknik Sipil 5 Teknik Sipil (UGM) s.d an Basah Kering Hidro Struktur (d/h Konstruksi) Transportasi Hidro Struktur Transportasi Geoteknik Hidro Struktur Transportasi Geoteknik Lingkungan 2001-sekarang SDA Teknik Sungai Teknik Pantai Struktur Bahan Mankon Sistem Transportasi Teknik Transportasi

6 Fisika dan Teknik Sipil Hidro Fisika di bidang hidro mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak stagka fluida (fluid sta5cs) dinamika fluida (fluid dynamics) 6 fluida ß fluid {Cambridge dicgonary: [noun, c or u] a substance that flows and is not solid}

7 Fluida, Dimensi dan Satuan 7

8 Zat fluida 8 zat sesuatu yang memiliki massa dan menempag ruang Apa ciri pembeda zat padat dan fluida? padat cair gas fluida tak-mampat (incompressible fluid) fluida mampat (compressible fluid)

9 Zat Padat vs Fluida Cara yang lebih saingfik dalam pembedaan antara zat padat dan fluida adalah menilik perilaku keduanya terhadap gaya (gaya luar) yang bekerja terhadapnya F solid F gaya (force) vektor permukaan fluida F fluida gaya tangensial yang bekerja pada permukaan fluida à menimbulkan tegangan geser (shear stress) 9 sebuah batang baja (tulangan beton) ditarik di ujung; pangkalnya ditahan à batang mengalami deformasi; pada suatu GGk, deformasi berheng gaya bekerja pada permukaan fluida (Gmbul tegangan geser) à fluida bergerak (mengalir) terus-menerus

10 Zat Padat vs Fluida Batang baja ditarik hlps:// watch?v=67fswijyj-e Fluida di antara dua pelat hlps://youtu.be/xvn- Yyu10Bg?t=46 10

11 Fluida Bergerak (Mengalir) Telah dipaparkan pada slide #4 bahwa fisika di bidang hidro mempelajari fluida diam atau bergerak Parameter untuk mendeskripsikan fluida yang bergerak ukuran/dimensi à l tekanan à p kecepatan aliran à v 11

12 Dimensi 12 di bidang hidro mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak (Slide #4) akan banyak membahas sifat-sifat fluida (fisis, mekanis) maka perlu cara untuk mendeskripsikan sifat-sifat fluida baik deskripsi kualitaef, maupun kuanetaef deskripsi kualitagf sifat-sifat fluida à dikenal sebagai dimensi massa à M panjang à L waktu à T temperatur à Θ dimensi utama, dimensi dasar

13 Dimensi Dari dimensi dasar, dapat dilakukan deskripsi kualitagf yang merupakan gabungan dimensi dasar, misal kecepatan gerak adalah panjang dibagi waktu, dim[v] = LT 1 percepatan gerak adalah perubahan kecepatan terhadap waktu, dim[a] = LT 2 gaya adalah massa dikalikan percepatan gerak, dim[f] = MLT 2 13

14 Dimensi Tuliskanlah dimensi beberapa parameter di bawah ini debit aliran, Q tekanan, p tegangan geser, τ dll. 14

15 Satuan 15 Dimensi, yang merupakan deskripsi kualitagf sifat fluida, perlu dilengkapi dengan satuan yang merupakan deskripsi kuangtagf Dalam fisika, sistem satuan yang banyak diikug adalah sistem satuan metrik yang dikenal pula sebagai sistem satuan SI (Système Interna5onal) atau Interna5onal System of Units Ada 7 satuan dasar dalam sistem satuan SI massa à kilogram, kg panjang à meter, m waktu à degk, s (PerhaGkan: bukan det, dtk, dt) temperatur à kelvin, K (PerhaGkan: tanpa notasi derajat, ) arus listrik à ampere, A jumlah molekul à mol, mol intensitas cahaya à candela, cd banyak dipakai di bidang teknik sipil hidro

16 Satuan Dari satuan dasar, dapat dilakukan deskripsi kuangtagf yang merupakan gabungan satuan dasar, misal satuan gaya adalah newton (N), diperoleh dari hukum Newton II 16 F = m a 1 N = 1 kg m/s 2 PerhaGkan: newton (Gdak diawali dengan huruf kapital), notasi N (ditulis dengan huruf kapital). PerhaGkan: variabel massa, m, ditulis dengan huruf miring, satuan panjang meter, m, ditulis dengan huruf tegak. Ini bukan sebuah keharusan, tetapi sangat disarankan untuk menghindari salah baca. Catatan: dalam kasus tulis tangan, variabel ditulis dengan huruf tegak dan satuan ditulis di dalam kurung kotak, misal 1 [N] = 1 [kg m/s 2 ].

17 Satuan satuan usaha adalah joule (J), diperoleh dari definisi usaha, yaitu usaha (work) yang dilakukan oleh sebuah gaya 1 N untuk bergerak sejauh 1 m dalam arah gaya tersebut, W = F Δx 1 J = 1 N m satuan daya adalah wal (W), yaitu usaha per satuan waktu P = W/T 1 W = 1 J/s 17

18 Satuan 18 Awalan (prefix) dipakai untuk penyebutan angka yang merupakan kelipatan sepuluh untuk penyederhanaan (pengurangan) jumlah angka Awalan Simbol Kelipatan Awalan Simbol Kelipatan exa E deci d 10 1 peta P ceng c 10 2 tera T milli m 10 3 giga G 10 9 micro μ 10 6 mega M 10 6 nano n 10 9 kilo k 10 3 pico p hecto h 10 2 femto f deka da 10 alo a 10 18

19 Sifat-sifat Fisis Fluida 19

20 Sifat-sifat Fisis Fluida 20 Massa dan bobot Rapat massa Berat volume Berat jenis Fluida gas Kekentalan (viskositas) Kekentalan dinamik Kekentalan kinemagk Kompresibilitas fluida Tekanan uap Tegangan permukaan

21 Rapat Massa 21 Rapat massa fluida Rapat massa fluida adalah massa fluida per satuan volume fluida Simbol ρ Satuan kg/m 3 Nilai ρ berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur khususnya pada fluida gas à fluida mampat (compressible fluid) nilai ρ fluida cair Gdak banyak berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur à fluida tak-mampat (incompressible fluid) Rapat massa air dan gas ρ air 10 3 ρ gas pada tekanan 1 atm ρ air = 1000 kg/m 3 pada 4 C dan hanya meningkat 1% pada kenaikan tekanan 220 kali Pada temperatur 20 C: ρ hidrogen = kg/m 3 ρ air = 998 kg/m 3 ρ merkuri = kg/m 3 Fluida paling ringan: hidrogen Fluida paling berat: merkuri

22 Berat Volume 22 Berat volume, berat isi, bobot volume (specific weight) Berat volume fluida adalah bobot fluida per satuan volume fluida Simbol γ γ = ρ g [kg/m 3 m/s 2 ] = ρ g [N/m 3 ] Satuan N/m 3 Berat volume air pada 20 C: γ air = N/m 3 = 9.79 kn/m 3 Mekanika tanah berat volume (berat isi) adalah bobot tanah per satuan volume tanah berat jenis adalah bobot tanah kering per satuan volume bagian padat tanah (Gdak termasuk volume rongga) volume tanah terdiri dari volume bagian padat (V s = V solid ) dan volume rongga (V v = V void )

23 Berat Jenis 23 Berat jenis (specific gravity) Adalah rasio antara rapat massa fluida dan rapat massa fluida acuan (air untuk fluida cair dan udara untuk fluida gas) pada temperatur tertentu Simbol, SG atau G s atau BJ Tidak bersatuan SG fluida cair = ρ fluida ρ C = ρ fluida 1000 kg/m, SG = ρ ρ gas = gas 3 gas ρ udara kg/m 3 Contoh, berat jenis merkuri pada temperatur 20 C adalah SG merkuri = kg/m kg/m 3 =13.58

24 Fluida Gas 24 Pada fluida gas ideal, berlaku hubungan antara rapat massa, tekanan, dan temperatur sbb. p = ρrt atau ρ = p RT p tekanan absolut, ρ rapat massa, T temperatur absolut, dan R konstanta gas tekanan absolut adalah tekanan yang diukur terhadap tekanan nol tekanan nol adalah tekanan pada ruang hampa Tekanan absolut dan tekanan relagf Di bidang enjiniring, tekanan biasa dinyatakan sebagai tekanan relagf terhadap tekanan atmosfir setempat Tekanan atmosfir di permukaan laut adalah kpa 101 kpa atau 14.7 psi (1 atm = 101 kpa = 14.7 psi) 1 Pa = 1 N/m 2

25 Viskositas 25 Viskositas, kekentalan (viscosity) Viskositas mencerminkan kemampuan fluida untuk menahan atau melawan gerak (aliran) Viskositas fluida menentukan laju regangan fluida akibat tegangan geser yang bekerja pada fluida Contoh Kita dapat bergerak (berjalan) dengan mudah melalui udara Di dalam air, pergerakan menjadi lebih sulit; viskositas air adalah 50 kali viskositas udara KeGka kita menggerakkan tangan dalam pelumas SAE 30, kita merasakan tahanan oleh pelumas; viskositas pelumas SAE 30 adalah 300 kali lebih besar daripada viskositas air Demikian pula, gerak tangan akan lebih sulit dalam gliserin yang memiliki viskositas 5 kali lebih besar daripada viskositas pelumas SAE 30

26 Viskositas Situasi fluida ditempatkan di antara dua pelat pelat bawah diam, pelat atas bergerak dengan kecepatan konstan di pelat bawah, fluida Gdak bergerak, kecepatan nol (no slip condi5on) 26 Diambil dari: White, Frank M., 2011, Fluid Mechanics, 7 th edigon, The McGraw-Hill Book Co., New York, hlm 26.

27 Viskositas 27 Pada fluida seperg udara, air, minyak berlaku hubungan linear antara tegangan yang bekerja pada permukaan fluida dan laju regangan τ δθ δt dari gambar a (gambar kiri), tampak tanδθ = δuδt δy jika δ sangat kecil, maka dθ dt = du dy sehingga τ du dy Dengan mengenalkan viskositas dinamik μ τ =µ du dy Fluida Newton (newtonian fluid)

28 Viskositas Angka Reynolds Parameter yang menggambarkan perilaku fluida berkaitan dengan kekentalan fluida newtonian Angka tak berdimensi Re= ρvl µ = VL ν V adalah kecepatan aliran dan L adalah skala panjang aliran ν adalah kekentalan kinemagk 28 ν = µ ρ dim[μ] = ML 1 T 1 à Ns/m 2 dim[ν] = L 2 T 1 à m 2 /s

29 Kompresibilitas Fluida 29 Kompresibilitas fluida Mencerminkan perilaku fluida terhadap perubahan tekanan Fluida yang mudah mampat, volume dan rapat massa mudah berubah, terhadap perubahan tekanan dinamai fluida mampat (compressible fluid), misal udara Fluida yang volumenya Gdak atau sulit berubah terhadap perubahan tekanan disebut fluida tak-mampat (incompressible fluid) Parameter yang dipakai untuk mendeskripsikan kompresibilitas fluida adalah bulk modulus (modulus elasgsitas), E v E v = dp dv V = dp dρ ρ

30 Kompresibilitas Fluida p p + dp p + dp V V dv E v = dp dv V ρ + dρ E v = dp dρ ρ dim[e v ] = ML 1 T 2 à N/m 2 atau Pa 30 tanda negagf karena peningkatan tekanan berakibat pada pengurangan volume

31 Tekanan Uap Tekanan uap (vapor pressure) Fluida cair, misal air, akan menguap apabila air ditempatkan di wadah terbuka (contoh: penguapan atau evaporasi air di waduk) Evaporasi terjadi karena molekul-molekul zat cair di permukaan mengandung momentum yang dapat mengalahkan gaya kohesi antar molekul sehingga molekul zat cair lepas ke atmosfir Di bidang teknik sipil hidro, tekanan uap ini pengng karena berkaitan dengan kavitasi 31

32 Tekanan Uap 32 sumbat zat cair sumbat uap, p v zat cair Sebuah bejana diisi zat cair, ditutup dengan sumbat sehingga tak ada udara di dalamnya. Sumbat digeser ke atas pelan-pelan sedemikian sehingga Gdak ada udara yang masuk. Ada ruang di antara zat cair dan sumbat. Timbul tekanan dalam ruang tsb karena adanya uap yang Gmbul akibat pelepasan molekul-molekul zat cair. Saat keseimbangan, yaitu jumlah molekul zat cair yang meninggalkan permukaan sama dengan jumlah molekul zat cair yang masuk ke permukaan, maka uap menjadi jenuh. Tekanan pada uap jenuh tsb disebut tekanan uap (vapor pressure), p v. Tekanan uap bergantung pada temperatur.

33 Tekanan Uap dan Kavitasi 33 Kavitasi Pada aliran air dalam pipa atau di saluran terbuka, kecepatan aliran menurunkan tekanan Jika kecepatan aliran sangat besar, tekanan mengecil Jika tekanan mencapai tekanan uap, maka terjadi boiling, yaitu terbentuknya gelembung udara dalam aliran air Gelembung udara ini terbawa aliran KeGka sampai di tempat yang bertekanan Gnggi, gelembung udara pecah secara Gba- Gba Ini disebut kavitasi Kavitas dapat merusak pipa atau permukaan saluran Contoh kasus Aliran dalam pipa pesat, turbin PLTA Aliran di saluran pelimpah (spillway) bendungan

34 Tekanan Uap vs Kavitasi hlps:// 34

35 Tegangan Permukaan Tegangan permukaan (surface tension) Tegangan terbentuk di bidang kontak antara zat cair dan gas, atau antara dua fluida tak-campur (immiscible fluids). Bidang kontak ini berperilaku seperg sebuah lapis membran. Tegangan permukaan terjadi karena adanya kegdak-seimbangan gayagaya kohesif yang bekerja pada permukaan kedua fluida. Simbol σ Satuan N/m 35

36 Gaya Kapiler 36 Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5 th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ. Sebuah tabung kecil, terbuka di pangkal dan ujungnya, dimasukkan dalam air (Gbr. a). Muka air dalam tabung naik, menjadi lebih Gnggi daripada muka air di luar tabung. Tinggi kenaikan muka air dalam tabung, h, bergantung pada tegangan permukaan, σ, radius tabung, R, berat volume air, γ, dan sudut kontak antara air dan tabung, θ. Dari free body diagram (Gbr. b), dapat diketahui imbangan gaya-gaya arah vergkal, yaitu komponen vergkal tegangan permukaan dan berat air.

37 Gaya Kapiler γπr 2 h =2πσcosθ h = 2σcosθ γr 37 Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5 th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.

38 Sifat-sifat Fisis Fluida Cair *) Fluida Temperatur [ C] Rapat massa, ρ [kg/m 3 ] Berat volume γ [kn/m 3 ] Kekentalan dinamik, μ [Ns/m 2 ] Kekentalan kinemaek, ν [m 2 /s] Tegangan permukaan 1), σ [N/m] Tekanan uap (abs), p v [N/m 2 ] Modulus 2) (bulk), E v [N/m 2 ] Air laut Air tawar Air raksa ) Tegangan permukaan pada bidang kontak dengan udara. 2) Isentropic bulk modulus dihitung dari kecepatan suara. *) Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5 th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ. 38

39 Sifat-sifat Fisis Fluida Gas *) Fluida Temperatur [ C] Rapat massa, ρ [kg/m 3 ] Berat volume γ [N/m 3 ] Kekentalan dinamik, μ [Ns/m 2 ] Kekentalan kinemaek, ν [m 2 /s] Konstanta gas 1), R [J/kg/K] Specific heat ra0o 2), k Udara Karbon dioksida Hidrogen Nitrogen Oksigen ) Konstanta gas Gdak bergantung pada temperatur. 2) Specific heat ra5o bergantung sedikit pada temperatur. 39 *) Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5 th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.

40 Tekanan Fluida 40 Tekanan fluida dinyatakan dalam dua cara, yaitu tekanan absolut (absolute pressure) atau tekanan ukur (gage pressure). Tekanan absolut adalah tekanan relagf terhadap tekanan hampa udara (tekanan nol absolut). Tekanan ukur adalah tekanan relagf terhadap tekanan atmosfir setempat. Tekanan absolut selalu bernilai posigf, tekanan ukur bernilai posigf (lebih besar daripada tekanan atmosfir) atau negagf (lebih kecil daripada tekanan atmosfir).

41 Alat Ukur Tekanan Prinsip pengukuran tekanan: (1) Barometer air raksa (2) Piezometer Barometer p atm = γ Hg h+ p vapor p vapor << p atm = γ Hg h γ Hg (T = 20 C) = 133 kn/m 3 Piezometer p A = p 1 = γ 1 h 1 p A γ 1 = p 1 γ 1 = h 1 41 Barometer air raksa Piezometer

42 Alat Ukur Tekanan p A = γ 2 h 2 γ 1 h 1 p A p B = γ 2 h 2 + γ 3 h 3 γ 1 h 1 42 Manometer tabung Gpe U Manometer tabung Gpe U

43 Alat Ukur Tekanan p A p B = γ 2 l 2 sinθ+ γ 3 h 3 γ 1 h 1 Manometer tabung miring 43

44 44 Tugas Buat tulisan yang memaparkan Contoh fisika di bidang teknik sipil hidro, transportasi, struktur Dimensi dan satuan besaran fisis: debit aliran, tekanan, gaya geser Kavitasi, contoh kasus kavitasi Newtonian fluid, non-newtonian fluid Naskah Format ditetapkan sendiri TaaG kaidah bahasa Indonesia yang baik dan benar IkuG kaidah tulisan ilmiah Pakailah program aplikasi document processor, misal MSWord, dengan baik, efekgf, efisien Tenggat penyerahan tugas Rabu, 15 Februari 2017

45 45