V. PENGUKURAN VISKOSITAS

Transkripsi

1 V. PENGUKURAN VISKOSITAS PENGANTAR Viskositas merupakan ukuran ketahanan fluida terhadap tekanan maupun tegangan. Semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas suatu zat dipengaruhi oleh suhu, dimana semakin tinggi suhu maka viskositas semakin kecil. Begitu juga sebaliknya semakin rendah suhu maka viskositasnya semakin besar. 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 fuida akan turun dengan kenaikan temperatur. Dalam bab ini akan dibahas metode pengukuran viskositas TUJUAN 1. Tujuan Instruksional Umum (TIU) Setelah mempelajari materi dalam modul ini diharapkan mahasiswa mengetahui jenis-jenis alat ukur viksositas dan metode pengukurannya. 2. Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Mahasiswa mengerti metode pengukuran viskositas dari berbagai jenis viscometer Mahasiswa dapat menentukan jenis fluida dari data viskositas 5.1. PENDAHULUAN Viskositas dapat diukur denga berbagai jenis viscometer. Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan antara lain : 1. Jenis viskometer aliran kapiler 2. Jenis viskometer lubang 3. Jenis viskometer bola jatuh 4. Jenis viskometer rotasi Semua viskometer dapat digunakan untuk menentukan viskositas sistem Newton dan hanya viskometer yang mempunyai kontrol shear stress yang bervariasi dapat digunakan untuk bahan bahan Non Newton JENIS VISKOMETER KAPILER Viskometer kapiler dapat disebut juga dengan viskometer ostwald. Metode ini ditentukan berdasarkan hukum Poisulle menggunakan alat viskometer oswaltd yang berbentuk pipa U, dimana SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 51

2 konsep pengukuran viskometer kapiler, yaitu menggunakan waktu fluida melewati tabung kapiler dan laju aliran yang disebabkan gradien tekanan. Pengoperasiannya adalah secara gaya gravitasi yang bekerja pada kolom atau secara mekanik, dimana fluida newtonian dengan viskositas ,000 mpa.s dan untuk fluida non-newtonian tekanan eksternal lebih berpengaruh dari pada tekanan statik. Viskometer kapiler dapat ditunjukan pada Gambar 5.1. Gambar 5.1. Viskometer kapiler Viskositas dari fluida newton bisa ditentukan dengan mengukur waktu yang diperlukan untuk mengalirkan fluida dalam pipa kapiler dari a ke b dengan gaya yang disebabkan oleh berat fluida itu sendiri, dimana Sejumlah fluida yang akan diukur viskositasnya dimasukkan kedalam viskometer yang diletakkan pada thermostat. kemudian dihisap melalui labu ukur dari viskometer sampai permukaan cairan lebih tinggi dari batas a. Fluida dibiarkan turun ketika permukaan cairan turun melewati batas b, stopwatch dimatikan dan waktu yang diperlukan dari a ke b dicatat menggunakan stowatch. Tekanan P merupakan perbedaan tekanan antara kedua ujung pipa U dan besarnya diasumsikan sebanding dengan berat jenis cairan. Pada pengukuran viskositas dalam viskometer kapiler terdapat beberapa asumsi, yaitu: 1. Aliran adalah laminar 2. Fluida incompresible 3. Kecepatan fluida pada dinding diabaikan 4. Panjang tabung L jari jari dalam r 5. Fluida newtonian, shear stress dan shear rate bervariasi dari 0 pada pusat kapiler (r = 0) dan menjadi maksimal pada bagian dinding (r = R). 6. Profil newtonian adalah parabolik SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 52

3 7. Shear stress pada dinding berhubungan dengan penurunan tekanan sepanjang panjang tabung, dengan persamaan sebagai berikut:... (1) Persamaan Hagen Poiseuille untuk aliran dalam viscometer kapiler, sebagai berikut:... (2) Substitusi dari persamaan (1) dengan persamaan (2), shear stress juga dapat dinyatakan sebagai:... (3) Kemudian, shear rate pada dinding untuk fluida Newtonian dinyatakan sebagai berikut:... (4) Dimana Q adalah laju aliran volumetrik. Hukum Newton tentang viskositas dapat ditulis dalam bentuk gradien tekanan dan laju aliran volumetrik sebagai:... (5) Untuk non Newtonian fluida, hubungan antara shear stress dengan shear rate digunakan untuk menurunkan persamaan tersebut, dimana tingkat shear pada dinding dapat ditentukan dari persamaan Rabinowitsch Mooney (Steffe, 1996, Wilkes, 1999):... (6)... (7)... (8) Jika fluida berperilaku sebagai power law, maka kemiringan penurunan merupakan garis lurus dan n = n. Viskositas menunjukkan kekentalan suatu bahan yang diukur dengan menggunakan alat viscometer. Semakin tinggi viskositas suatu bahan maka bahan tersebut akan makin stabil karena pergerakan partikel cenderung sulit dengan semakin kentalnya suatu bahan. Nilai viskositas berkaitan dengan kestabilan emulsi suatu bahan yang artinya berkaitan dengan nilai stabilitas emulsi bahan. Viskositas atau kekentalan dari suatu cairan adalah salah satu sifat cairan yang menentukan besarnya perlawanan terhadap gaya geser. SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 53

4 Contoh soal: Data penurunan tekanan vs laju aliran volumetrik lelahan coklat menggunakan viskometer kapiler dengan diameter 1 cm, panjang 60 cm. Penurunan Tekanan (Pa) Laju Aliran (cm 3 /s) a) Tunjukkan bahwa lelehan coklat bukan fluida Newtonian b) Tentukan konstanta model rheologi untuk model power law, Herschel-Bulkley, dan Casson c) Model mana yang memberikan gambaran terbaik untuk perilaku lelehan coklat? Penyelesaian a) Hukum Newton untuk viskositas Menggunakan data penurunan tekanan, shear stress dihitung dengan : Shear stress untuk laju aliran yang berbeda Hasil perhitungan shear stress dan shear rate : m m SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 54

5 w Sifat Fisik Bahan Pangan Hasil ploting grafik di atas menghasilkan: w Grafik hasil plotting menunjukkan bahwa fluida bukan Newtonian, karena grafik hubungan antara shear stress dan shear rate tidak linier. b. Persamaan Power Law Persamaan Power Law adalah dan linierisasi persamaan tersebut menghasilkan ln τw = ln γ w *Sebuah plot logaritmik dari shear stress terhadap shear rate (ln τyz vs ln γyz) menghasilkan garis lurus dengan kemiringan n dan intercept dari ln k. Untuk fluida power law, n = n Substitusi SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 55

6 ln τw = ln γ w τw = γ w b. Model Herschel-Bulkley Persamaan model Herschel-Bulkley τ w = τ 0 + k (γ w ) n Untuk menentukan nilai τ 0 shear stress pada dinding τ w diplot dengan shear rate, dan nilai τ 0 didapatkan dengan cara ekstrapolasi data. Untuk menemukan konstanta model Herschel-Bulkley, linierisasi adalah: ln(τ w τ 0 ) = ln k + n ln γ w SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 56

7 τ w = γ w0.601 c. Model Casson adalah (τ w ) 0.5 = (τ 0 ) k (γ w ) = (3.570) 1/0.5 = Pa Dari ketiga model, hasil terbaik terdapat pada model Casson yaitu Karena menghasilkan nilai R 2 paling tinggi, yaitu VISKOMETER ORIFICE Dalam Alat ukur viskometer jenis orifice, waktu untuk volume standar fluida mengalir melalui suatu lubang yang diukur. Hal tersebut digunakan untuk fluida Newtonian atau Near Newtonian ketika akurasi ekstrim tidak diperlukan. Dalam industri makanan, yang paling umum digunakan adalah jenis mencelupkan Zahn viskometer yang terdiri dari secangkir 44-mL kapasitas stainless steel dengan pegangan dan lubang melingkar dengan dikalibrasi pada bagian bawah. Cangkir diisi dengan mencelupkan ke dalam fluida dan ditarik. Dicatat pada saat waktu awal menarik, dimana terjadi pengeluaran dalam alirannya. SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 57

8 5.4. JENIS VISKOMETER BOLA JATUH Jenis viskometer bola jatuh dapat juga disebut dengan viskometer Hoeppler. Viskometer bola jatuh mengikuti hukum Stokes, dimana pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga gaya gesek = gaya berat gaya archimides. Prinsip kerja dari viskometer bola jatuh adalah suatu bola gelas / besi dengan rapatan d dan jari jari r yang dijatuhkan ke dalam suatu tabung gelas berisi fluida yang akan ditentukan viskositasnya. Waktu yang diperlukan bola untuk jatuh melalui cairan dengan tinggi tertentu kemudian dicatat dengan stopwatch. Seperti yang ditunjukan pada Gambar 5.2. Gaya berat yang menyebabkan bola turun ke bawah sebesar: Dimana: Dp = diameter bola (m), ρp = densitas bola (kg/m3), ρf = densitas fluida (kg/m3), cd = koefisien drag, v = kecepatan bola (m/s).... (9) Kerapatan bola dan fluida adalah percepatan gravitasi dan bekerja gaya gesek yang arahnya ke atas sehingga persamaan pada keadaan setimbang, yaitu:... (10) Gambar 5.2. Viskometer bola jatuh Contoh soal Tentukan viskositas minyak bunga matahari dengan menggunkan viskometer bola jatuh. Viskometer tersebut memiliki panjang tabung 10 cm dan bola yang memiliki diameter 0,68 mm. Minyak dan bola memiliki kepadatan masing-masing 921 kg/m3 dan 2420 kg/m3. Jika dibutuhkan 44,5 s untuk bola jatuh dari atas tabung, berapa viskositas minyak? SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 58

9 Penyelesaian Kecepatan terminal adalah: Kemud ian, viskositas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan JENIS VISKOMETER ROTASI Pada viskometer rotasi, sampel diukur antara dua bagian dari alat pengukur dengan cara rotasi (putaran). Prinsip alat ini berdasarkan atas waktu yang diperlukan. Dalam agitasi, shear rate sebanding dengan kecepatan rotasi. Hal ini dikarenakan dalam mengukur shear stress sebagai shear rate yang berubah. Selain itu, sampel dapat diukur selama yang diinginkan. Oleh karena itu, viskometer rotasi adalah alat ukur viskositas yang terbaik dalam karakterisasi perilaku non- Newtonian dan tergantung pada waktu. Ada beberapa bentuk yang berbeda dari viskometer rotasi, yaitu 3 bentuk. Seperti yang dijelaskan sebagai berikut: 1. Concentric Cylinder Viscometer Viskometer rotasi silinder sesumbu (Concentric Cylinder) dibuat berdasarkan 2 standar, sistem searle 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 persamaan matematis untuk menghitung viskositas diturunkan dari hukum newton tentang aliran viskositas. Seperti yang ditunjukan pada Gambar 5.3. SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 59

10 Gambar 5.3. Viskometer rotasi silinder sesumbu (Concentric Cylinder) Dalam hubungan matematis terdapat beberapa asumsi yang dapat digunakan untuk menghitung viskositas, yaitu: 1. Aliran laminar dan mantap. 2. Komponen kecepatan radial dan aksial nol. 3. Fluida incompressible. 4. Temperature konstan. 5. Tidak ada slip pada dinding instrumen. Hubungan antar kecepatan geser dengan tegangan geser mengahasilkan persamaan viskositas untuk fluida newtonian sebagai berikut: Persamaan viskositas untuk power law sebagai berikut:... (11)... (12) 2. Cone and Plate Viskometer Prinsip operasi untuk viskometer cone dan plate, yaitu terdiri dari piring melingkar dan sebuah kerucut dengan jari jari r dengan sumbu tegak lurus terhadap pelat dan titik pada bidang permukaan piring seperti yang ditunjukan pada Gambar 5.4. Biasanya, kerucut diputar dengan kecepatan sudut yang telah diketahui. Fluida ditempatkan antara kerucut dan piring serta mentransmisikan torsi ke piring. Jika sudut θ antara kerucut dan piring kecil (<5 ), shear stress dan SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 60

11 shear rate yang seragam atas fluida (Steffe, 1996). Jenis viskometer ini cocok untuk cairan penipisan geser dan fluida plastik. Selain itu juga cocok untuk pengujian sampel kecil. Viskometer Cone and Plate adalah alat ukur kekentalan yang memberikan peneliti suatu instrumen yang canggih untuk menentukan secara rutin viskositas absolut cairan dalam volume sampel kecil. Cone dan plate memberikan presisi yang diperlukan untuk pengembangan data rheologi lengkap. Cara pemakaiannya adalah sampel ditempatkan ditengah-tengah papan, kemudian dinaikkan hingga posisi dibawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan bermacam kecapatan dan sampelnya digeser didalam ruang semit antara papan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar. Gambar 5.4. Cone and Plate Viscometer Ada beberapa hal yang mempengaruhi akurasi dari alat ini, misalnya: 1. ukuran sample 2. waktu yang dibutuhkan sampel untuk menstabilkan pada pelat sebelum terbaca 3. kebersihan kerucut dan plat 4. jenis bahan, tinggi atau rendah viskositas, ukuran partikel 5. tipe cone, cone rentang yang lebih rendah memberikan akurasi yang lebih tinggi 6. shear rate ditempatkan untuk sampel Toleransi dari viskometer Brookfield adalah 1% dari Full Scale Range (FSR). FSR adalah nilai maksium yang mampu diukur oleh alat dengan kombinasi setting Spindle dan Kecepatan putar spindle yang kita tetapkan. Sedangkan toleransi dari fluida standard adalah 1% dari nilai viskositas fluida yang bersangkutan. Dalam hubungan matematis, shear rate pada r dapat dituliskan, sebagai berikut:... (13) Untuk shear stress, perbedaan torsi pada ketebalan (dr) cincin yang berbentuk gelang dianggap dan integrasi sepanjang r:... (14) SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 61

12 Kemudian shear stress adalah Untuk fluida Newtonian:... (15) Untuk fluida Power Law:... (16)... (17) Contoh Vanila semi solid diuji sifat rheologinya pada suhu 25 o C dengan menggunakan viscometer cone and plate dengan diameter 50 mm dan sudut 1 o. Peningkatan kecepatan sudut dan nilai torsi yang terukur adalah: Ujilah Model Newtonian, power law, dan Herschel-Bulkley untuk menemukan ekspresi terbaik yang mewakili perilaku aliran. Penyelesaian Menggunakan persamaan 21, yaitu SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 62

13 Bukan Newtonian, terdapat intersep, yaitu yield stress. Untuk Fluida Power Law, plot logaritmik shear stress dengan shear rate, sebagai berikut: Slope, n = Intercept ln k = 2.581, nilai k = Pa (s)n Ekspresi power law adalah Model Herschel-Bulkley τyz = τ0 + k(τ yz)n Untuk menentukan nilai τ0 shear stress pada dinding τw diplot dengan shear rate, dan nilai τ0 didapatkan dengan cara ekstrapolasi data Didapatkan nilai τ0 = 13.5 Pa Untuk menemukan konstanta model Herschel-Bulkley, linierisasi adalah: SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 63

14 Ekspresi Herschel Bulkley TERBAIK adalah nilai koefisien determinasi paling tinggi 3. Parallel Plate Viscometer Sistem ini terdiri dari dua plat paralel dipisahkan pada jarak h dari satu dengan yang lain. Pada jenis viskometer ini, sampel ditempatkan dalam celah antara dua plat paralel, diman salah satu piring diputar dengan kecepatan sudut yang telah diketahui. Sementara yang lain adalah stasioner. Berbeda dengan sistem cone dan plate, shear rate tidak konstan dalam fluida selama deformasi tapi berubah sebagai fungsi jarak dari pusat r dalam plat paralel seperti yang ditunjukkan dalam persamaan berikut:... (18) Dapat ditulis untuk sistem paralel, tapi integrasi rumit karena shear stress sebagai fungsi r, dimana Persamaan Rabinowitsh-Mooney Fluida Newtonian... (19)... (20) Untuk fluida Power Law... (21) SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 64

15 Dan... (22) Contoh soal Sebuah perusahaan makanan mencoba untuk menemukan formulasi sup baru dalam penelitian dan pengembangan departemen mereka. Sifat reologi dari formulasi sup ditentukan untuk tujuan ini. Sebuah viskometer plat paralel dengan r = 25 mm dan h = 0,7 mm yang digunakan dalam studi rheologi. Torsi dengan data kecepatan sudut yang diberikan dalam Tabel diambil pada 15 C untuk formulasi ini. Tentukan konstanta daya hukum menggambarkan perilaku aliran sup. Menggunakan data kecepatan sudut (Ω), shear rate (γ R) dapat dihitung dari Persamaan. Referensi Steffe, J.F. (1996). Rheological methods in Food Process Engineering, 2nd ed. East Lansing, MI: Freeman Press (available at steffe/freebook/offer.html). Wilkes, J.O. (1999). Fluid Mechanics for Chemical Engineering. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. Propagasi A. Latihan dan Diskusi (Propagasi vertical dan Horizontal) 1. Sebutkan Jenis-jenis viscometer dan prinsip pengukurannya SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 65

16 B. Pertanyaan (Evaluasi mandiri) 1. Bagaimana langkah-langkah membentuk persamaan fluida berdasarkan model Power law, Herschel-Bulkley dan Carson? C. QUIZ -mutiple choice (Evaluasi) D. Proyek Bahas jurnal internasional yang meneliti tentang fluida selain fluida Newtonian. SFBP: PENGUKURAN VISKOSITAS 66