PENENTUAN VISKOSITAS ZAT CAIR

Transkripsi

1 PENENTUAN VISKOSITAS ZAT CAIR A. Judul Percobaan : PENENTUAN VISKOSITAS ZAT CAIR B. Prinsip Percobaan Mengalirkan cairan pipa ke dalam pipa kapiler dari Viskometer Oswald dengan mencatat waktunya. C. Tujuan Percobaan Untuk menentukan koefisien viskositas zat x D. Teori Viskositas cairan. Cairan tertentu mempunyai aliran lebih cepat daripada cairan yang lainnya. Sebagai contoh, air mempunyai laju alir yang lebih cepat dibandingkan dengan minyak, gliserin, maupun etilen glikol. Fenomena yang lain adalah jika masingmasing benda tersebut ditempatkan pada gelas yang berbeda, dan saling diaduk, maka etilen glikol akan berhenti lebih cepat daripada air. Fenomena inilah yang berkitan dengan viskositas atau kekentalan. Pengertian Viskositas Viskositas adalah ketahanan aliran suatu cairan (fluida) pada pengaruh tekanan atau tegangan. Viskositas cairan dapat dibandingkan satu sama lain dengan adanya koefisien viskositas (h). Koefisien viskositas adalah gaya tangensial per satuan luas yang dibutuhkan untuk mempertahankan perbedaan kecepatan alir. Satuan viskositas Satuan viskositas adalah poise (P). Konversi satuan poise adalah 1P = 1 g cm -1 s -1. Dalam satuan SI, 1P = 0,1 Nsm -2

2 Faktor yang mempengaruhi viskositas : 1. Gaya intermolekuler Viskositas juga dihubungkan dengan adanya gaya intermolekuler pada cairan. Jika gaya intermolekuler kuat, viskositas akan tinggi. Sebagai contoh, air mempunyai viskositas yang lebih tinggi daripada metanol karena gaya intermolekuler air lebih besar daripada metanol. 2. Temperatur Kenaikan temperatur menyebabkan penurunan viskositas. Hal ini menyebabkan kenaikan energi kinetik rata-rata. Maka dari itu gaya intermolekuler dapat ditahan. 3. Ikatan hidrogen Cairan dengan ikatan hidrogen yang kuat mempunyai viskositas lebih tinggi karena peningkatan ukuran dan massa molekul. Sebagai contoh, gliserol dan asam sulfat mempunyai viskositas yang lebih tinggi daripada air karena adanya ikatan hidrogen yang lebih kuat. Koefisien Viskositas Viskositas dilambangkan dengan simbol eta : = ket : G F.dv/dy = viskositas G = gaya gesek F = luas lap. zat cair dv = perb. kecepatan antara 2 lap zat cair dy = jarak antara 2 lap. zat cair Satuan Sistem Internasional ( SI ) untuk koefisien viskositas adalah Ns/m 2 = Pa.s (pascal sekon). Satuan CGS ( centi gram sekon ) untuk koefisien

3 viskositas adalah dyn.s/cm 2 = poise ( P ). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise ( cp ). 1cP = 1/100 P Fluida Temperatur ( 0 C ) Koefisien Viskositas Air 0 1,8 x ,0 x ,65 x ,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 x 10-3 Gliserin x x 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 Jenis-jenis viskosimeter : 1. Viskosineter Bola Jatuh Berdasarkan persamaan hukum Stokes 2. Viskosimeter Ostwald Berdasarkan persamaan hukum Poiseuille Persamaan Poiseuille Viskosimeter Ostwald didasarkan pada persamaan viskositas poiseuille ditemukan oleh Jean Louis Marie Poiseuille, persamaannya sebagai berikut : v t = π P t R4 8ηL Dimana: η : viskositas cairan v : volume total cairan t : waktu yang dibutuhkan cairan dengan v mengalir melalui P R viscometer. : tekanan yang bekerja pada cairan : jari-jari tabung

4 L : panjang pipa (Catatan: Persamaan diatas juga berlaku untuk fluida gas) Sebenarnya ada dua kuantitas yang disebut viskositas. Kuantitas yang ditentukan di atas kadang-kadang disebut viskositas dinamik, viskositas absolut atau viskositas sederhana, untuk membedakannya dari kuantitas lain. Namun, biasanya hanya disebut viskositas. Kuantitas lain disebut viskositas kinematik (diwakili oleh simbol ν "nu") adalah rasio viskositas fluida untuk densitasnya. v= ρ Viskositas Kinematik adalah ukuran dari arus resistif dari fluida di bawah pengaruh gravitasi. Hal ini sering diukur dengan menggunakan perangkat yang disebut viskometer kapiler - pada dasarnya adalah bisa lulus dengan tabung sempit di bagian bawah. Bila dua cairan volume sama ditempatkan di viscometers kapiler identik dan dibiarkan mengalir di bawah pengaruh gravitasi, cairan kental memerlukan waktu lebih lama daripada kurang cairan kental mengalir melalui selang. Ada beberapa viskometer yang sering digunakan untuk menentukan viskositas suatu larutan yaitu: 1. Viskometer Oswald : untuk menentukan laju alir kapiler 2. Viskometer Hoppler : untuk menentukan laju bola dalam cairan 3. Viskometer silinder putar : untuk menentukan satu dari dua silinder yang simetris pada kecepatan sudut tertentu. Viskometer Oswald (viskometer kapiler) Pada metode ini viskositas ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan bagi cairan uji untuk lewat antara dua tanda ketika ia mengalir karena gravitasi, melalui suatu tabung kapiler vertikal. Waktu alir dari cairan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bagi suatu cairan yang viskositasnya sudah diketahui ( biasanya air ) untuk lewat antara dua tanda tersebut. Jika 1 dan 2 masing-masing adalah viskositas dari cairan yang tidak diketahui dan cairan standar, 1 dan 2 adalah kerapatan dari masing-masing cairan, t1 dan t2 adalah waktu alir dalam detik. Maka viskositas cairan yang tidak diketahui adalah :

5 1 = ρ1. t1 2 ρ2. t2 η1 = ρ1. t1. 2 ρ2. t2 η2 dan ρ2 dapat diketahui dari literatur, ρ1 diperoleh dari pengukuran kerapatan (berat jenis) dengan metode piknometer, t1 dan t2 masing-masing diketahui dengan cara mengukur waktu yang diperlukan oleh zat uji maupun air untuk mengalir melalui dua garis tanda pada tabung kapiler viscometer ostwald. Pada viskometer 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. Pengukuran viskositas ini menggunakan pembanding air. Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi kesalahan pengukuran nilai. Viskositas dapat ditentukan dengan persamaan: η= π R 4 (Pt) 8VL Sehingga didapat η 1 = π R4 (Pt) 8V x η 2 8VL n R 4 (Pt) 2 (Pt) 1 = P 1 t 1 (Pt) 2 P 2 t 2 Dimana: P= densitas x konstanta Viskosimeter Bola Jatuh Berdasarkan hukum Stokes dengan mengamati jatuhnya benda melaui medium zat cair yang mempunyai gaya gesek yang makin besar bila kecepatan benda jatuh makin besar. = 2 r 2 ( d dm ) g 9 ( s/t ) ( 1+ 2,4 r/r ) ket : = viskositas cairan g = gaya gravitasi r = jari- jari bola s = jarak jatuh ( a - b ) d = kerapatan bola t = waktu bola jatuh dm = kerapatan cairan R = jari-jari tabung viskosimeter

6 Berdasarkan kerapatannya fluida dibedakan menjadi : 1. Fluida tidak dapat mampat (incompressible) 2. Fluida dapat mampat (compressible) Berdasarkan mekanika fluida, fluida dibedakan menjadi 2 jenis : 1. Fluida tidak bergerak (statika fluida) 2. Fluida bergerak (dinamika fluida) Hubungan Fluida dengan kekentalan Cairan Newtonian adalah cairan yang nilai kekentalannya tidak dipengaruhi oleh besar gaya yang mengalirkan atau menggerakkannya. Cairan yang encer, seperti air, minuman ringan, larutan gula encer, larutan asam dan larutan garam, bersifat Newtonian. Bila cairan ini diberikan gaya pemompaan atau pengadukan (shear stress), maka kekentalannya tidak akan dipengaruhi oleh gaya tersebut. Untuk cairan Newtonian, hubungan antara shear stress dan shear rate merupakan hubungan linear. Sehingga cairan Newtonian mempunyai nilai viskositas yang konstan. Zat cair yang bersifat non Newtonian, umumnya ditunjukkan pada produk yang lebih kental, seperti saus, kecap, madu, dsb. Nilai kekentalan akan sangat dipengaruhi oleh gaya yang diberikan, dimana kekentalannya dapat meningkat atau menurun. Bila dilakukan pengadukan terhadap cairan yang kental, maka ketika gaya pengadukan diberikan lebih kuat cairan tersebut akan lebih mudah bergerak atau mengalir. Semakin cepat pengadukan, cairan tersebut akan terasa lebih encer dan mudah diaduk, dengan kata lain, kekentalan cairan tersebut menurun karena pengaruh gaya pengadukan yang diperbesar atau dipercepat. Berdasarkan pola perubahan kekentalannya, cairan non Newtonian dapat dikelompokkan menjadi : a. Shear thinning Dikatakan bersifat pseudoplastis atau shear thinning bila kekentalannya menurun jika gaya untuk mengalirkannya meningkat. Semakin besar gaya yang dikenakan, maka aliran cairan semakin lancar atau semakin encer (thinning). Dengan demikian, nilai viskositas akan semakin menurun dengan semakin besarnya shear stress. Contoh : krim cair, santan. b. Shear thickening

7 Dikatakan bersifat dilatan atau shear thickening bila kekentalannya meningkat dengan meningkatnya gaya pengadukan yang diberikan. Suatu zat tersebut jika tibatiba dikenai gaya mekanis yang tinggi menjadi semakin mengental (thickening ) dan mudah rapuh (pecah pecah). Sehingga nilai viskositas akan semakin meningkat dengan meningkatnya shear stress. Contoh : mentega, gula kental. E. Alat dan Bahan : Alat : 1. Viskometer Oswald 2. Bulf 3. Stopwatch 4. Thermometer Bahan : 1. Aquadest 2. Sample 3. Es batu 4. Air panas F. Prosedur Kerja 1. Cuci Viskometer Oswald dengan HCl pekat dan K 2 Cr 2 O 7 kemudian dikeringkan dengan aceton. 2. Tentukan ρ dari zat x dan H 2 O dengan piknometer. 3. Alirkan H 2 O sebagai larutan standar dalam Viskometer Oswald ini dari garis a dan b, catat waktu yang diperlukan. 4. Viskometer Oswald dibersihkan dan dikeringkan lagi, kemudian dialirkan zat x yang akan ditentukan viskometer. 5. Ulangi tiap-tiap zat beberapa kali dengan variasi termperatur. 6. Tentukan ŋ zat dengan menggunakan rumus (3) G. Data Pengamatan dan Perhitungan Data pengamatan Suhu : 15,20,25 Suhu ruangan awal = 29 Aquadest Berat pikno kosong = 23,67 gram Berat pikno dengan aquadest = 48,70 gram Suhu 25 =3,7 detik Suhu 20 =3,6 detik Suhu 15 =3,33 detik Berat pikno setelah percobaan = 28,95 gram Volume (ml) aquadest setelah percobaan = 5,1 ml Zat x Berat pikno kosong = 23,67 gram

8 Berat pikno dengan zat x = 43,4 gram Suhu 25 =1,8 detik Suhu 20 =1,82 detik Suhu 15 =1,76 detik Berat pikno setelah percobaan = 27,35 gram Volume (ml) sampel setelah percobaan = 4,7 gram Suhu ruangan setelah percobaan = 29,5 Perhitungan Viskositas Sebelum percobaan To (tempertur) = 29 ( temperatur ruangan) ( pikno+air) ( pikno kosong) ρ o air = = volume pikno 48,70 gram 23,67 gram =1, gram ρ o sampel = ( pikno+sampel ) ( pikno kosong) 43,4 gram 23,67 gram = =0,7892 volume pikno 25 gram Sesudah percobaan T 1 (temperatur )=29,5 (temperatur ruangan ) ( pikno+air) ( pikno kosong) ρ 1 air= = volume larutan 28,95 gram 23,67 gram =1,035 5,1ml ρ 1 sampel = = ( pikno +sampel ) ( pikno kosong) = volume larutan ρ1) zat (T 1 ) 1 α zat= ( ρo 1 α air= ( ρo ρ1 ) air (T 1 ) 1 = ( 0,7892 0,783 ) zat = 0,0158 (29,5 29) 1 ( 1,0012 1,035 ) = (29,5 29) =0, ,35 gram 23,67 gram =0,783 4,7 ml Perhitungan Viskositas

9 1. Tx (temperatur) = 25 (temperatur percobaan) T zat (waktu alir) = 1,8 detik T air = 3,7 detik ρoair ρ air= α air (Tx T 1)+1 = 1,0012 0,0653 (25 29,5 )+1 = 4,381 ρo zat ρ zat= α zat (Tx T 1)+1 = 0,7892 0,0158 (25 29,5 )+1 =14,271 ρ zat x t zat ŋ zat = ρ air x t air x 14,271 x1,8 ŋ air = 4,381 x3,7 x0,8904= 1,411=1, Tx (temperatur) = 20 (temperatur percobaan) T zat (waktu alir) = 1,82 detik T air = 3,6 detik ρoair ρ air= α air (Tx T 1)+1 = 1,0012 0,0653 (20 29,5 )+1 = 1,803=1,803 ρo zat ρ zat= α zat (Tx T 1)+1 = 0,7892 0,0158 (20 29,5 )+1 =5,876 ρ zat x t zat ŋ zat = ρ air x t air x 5,876 x 1,82 ŋ air = 1,803 x3,6 x1,002=1, Tx (temperatur) = 15 (temperatur percobaan) T zat (waktu alir) = 1,76 detik T air = 3,33 detik ρoair ρ air= α air (Tx T 1)+1 = 1,0012 0,0653 (15 29,5 )+1 =1,1357 ρo zat ρ zat= α zat (Tx T 1)+1 = 0,7892 0,0158 (15 29,5 )+1 =3,67 ρ zat.t zat ŋ zat = ρ air.t air x 3,67 x 1,76 ŋ air = 1,1357 x 3,33 x1,139=1,945 H. Pembahasan Pada percobaan viskositas kali ini, akan digunakan aquadest sebagai zat pembanding dan zat x yang akan ditentukan koefisien viskositasnya serta suhu yang akan digunakan untuk mengukur koefisien viskositas yaitu 15,20 dan 25. Sebelum memulai percobaan terlebih dahulu harus mengukur suhu ruangan yang diketahui suhunya 29. Setelah itu, timbang piknometer dalam keadaan kosong pada timbangan yang didapat dengan hasil 23,67 gram kemudian isi pikno tersebut dengan aquadest sampai melewati batas agar tidak ada bagian pikno yang tidak terisi.

10 Lalu tutup dengan tutup piknonya dan keringkan bagian luar pikno yang basah dengan tisue. Timbang kembali pikno yang sudah terisi tersebut, dan didapat berat pikno isi yaitu 48,70 gram. Setelah itu cuci Viskometer Oswald dengan aceton lalu keringkan. Masukkan aquadest melalui lubang besar viskometer sampai terisi setengah bulat viskometer. Kemudian masukkan termometer ke dalam viskometer yang sebelumnya direndam ke dalam beaker glass berisi es. Ukur suhu aquadest sampai di titik suhu 25. Bila sudah, cabut termometer dan pasang bulf di lubang viskometer yang berukuran kecil. Sedot aquadest tersebut sampai garis a. Lalu siapkan stopwatch. Hitung dan catat waktu yang dibutuhkan aquadest dari titik a ke b dengan stopwatch setelah bulf dicabut. Ulangi langkah ini pada suhu 20 dan 15 selanjutnya. Setelah pengukuran waktu mengalir untuk aquadest, larutan dalam viscometer tersebut dimasukkan ke dalam pikno menggunakan corong. Lalu timbang pikno tersebut. Setelah itu, tuang larutan dalam pikno tersebut ke dalam gelas ukur untuk mengukur volume larutan aquadest setelah percobaan. Setelah selesai, siapkan semua dari awal untuk pengukuran viskositas zat x. Siapkan pikno kembali, lalu isi pikno dengan zat x sampai melewati batas. Kemudian tutup pikno tersebut dan timbang berat pikno dengan zat x. Pada percobaan kali ini didapat 43,4 gram, lalu isi viscometer dengan zat x sampai terisi setengah bagian bulat pada viscometer tersebut. Setelah itu, perlakuan sama dengan aquadest dilakukan untuk mengukur waktu yang diperlukan oleh zat x untuk mengalir dari garis a dan b dengan variasi temperatur 25, 20, dan 15. Setelah mengukur waktu mengalir larutan zat x pada viscometer, masukkan larutan tersebut ke dalam piknometer untuk ditimbang beratnya, setelah itu tuang larutan tersebut dalam gelas ukur untuk mengetahui volumenya. Setelah semua langkah dilakukan atau percobaan selesai, catat suhu ruangan kembali dengan melihat thermometer pada ruangan tersebut, pada percobaan kali ini suhu ruangan akhir yaitu 29,5. Setelah semua data didapat hitung koefisien viskositas dengan perhitungan mula-mula sampai rumus akhir yakni: η zat = ρ zat.t zat ρ air.t air. η air

11 Dengan η air yang bergantung pada masing-masing suhu percobaan, yaitu 15, 20, dan 25. Akhir percobaan didapat data η zat pada masing-masing suhu: Suhu ( ) η zat 15 1, , ,411 I. Kesimpulan Hasil percobaan yang telah didapatkan, ternyata kenaikan suhu menyebabkan penurunan koefisien viskositas. Maka dari hasil percobaan tersebut dapat disimpulkan bahwa suhu adalah salah satu faktor yang mempengaruhi viskositas. J. Soal 1. Buatlah grafik ŋ variasi temperature! 2. Apa pengaruh temperature terhadap viskositas suatu zat? 3. Adakah hubungan antara viskositas dan bilangin Reynold (Re)? 4. Buatlah penurunan satuan dari rumus viskositas! Jawaban : 1. Suhu ( ) η zat 15 1, , ,411

12 ŋ zat Suhu (Celcius) koefisien 2. Kenaikan temperatur menyebabkan penurunan viskositas. Hal ini menyebabkan kenaikan energi kinetik rata-rata. Maka dari itu gaya intermolekuler dapat ditahan. 3. Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/l) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Namanya diambil dari Osborne Reynolds ( ) yang mengusulkannya pada tahun Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. 4. Viskositas dapat ditentukan dengan persamaan: η= π R4 (Pt) 8 VL Sehingga didapat η 1 = π R4 (Pt) 8V x η 2 8 VL n R 4 (Pt) 2 (Pt) 1 (Pt) 2 = P 1 t 1 P 2 t 2 Dimana: P= densitas x konstanta

13 K. Daftar Pustaka