VISKOSITAS DAN TENAGA PENGAKTIFAN ALIRAN

Transkripsi

1 VISKOSITAS DAN TENAGA PENGAKTIFAN ALIRAN I. TUJUAN 1. Menentukan viskositas cairan dengan metoda Ostwald 2. Mempelajari pengaruh suhu terhadap viskositas cairan II. DASAR TEORI Viskositas diartikan sebagai resistensi atau ketidakmauan suatu bahan untuk mengalir yang disebabkan karena adanya gesekan atau perlawanan suatu bahan terhadap deformasi atau perubahan bentuk apabila bahan tersebut dikenai gaya tertentu (Kramer, 1996). Viskositas secara umum dapat juga diartikan sebagai suatu tendensi untuk melawan aliran cairan karena internal friction atau resistensi suatu bahan untuk mengalami deformasi bila bahan tersebut dikenai suatu gaya (Lewis, 1987). Viskositas biasanya berhubungan dengan konsistensi yang keduanya merupakan sifat kenampakan (appearance property) yang berhubungan dengan indera perasa. Konsistensi dapat didefinisikan sebagai ketidakmauan suatu bahan untuk melawan perubahan bentuk (deformasi) bila suatu bahan mendapat gaya gesekan (sheering fore). Gesekan yang timbul sebagai hasil perubahan bentuk cairan yang disebabkan karena adanya resistensi yang berlawanan yang diberikan oleh cairan tersebut dinamakan gaya irisan (sheering stress). Jika tenaga diberikan pada suatu cairan, tenaga ini akan menyebabkan suatu bentuk atau deformasi. Perubahan bentuk ini disebut sebagai aliran (Lewis, 1987). Menurut Suyitno (1988) ada dua tipe aliran, yaitu : 1. Newtonian Viskositas cairan yang bersifat Newtonian tidak berubah dengan adanya perubahan gaya irisan dan kurva hubungan antara shear stress dan shear ratenya linier melewati titik (0,0) atau dengan kata lain viskositasnya tidak berubah dengan adanya perubahan gaya gesekan antar permukaan cairan dengan dinding. Cairan newtonian biasanya merupakan cairan murni secara kimiawi dan homogen secara fisikawi. Contohnya adalah larutan gula, air, minyak, sirup, gelatin, dan susu. 2. Non-newtonian Viskositas cairan yang bersifat Non-newtonian berubah dengan adanya perubahan gaya irisan dan kurva hubungan antara shear stress dan shear ratenya non linier. Dengan kata lain, viskositasnya berubah dengan

2 adanya perubahan gaya gesekan antar permukaan cairan dengan dinding. Cairan non newtonian ini termasuk cairan yang bersifat non true liquid/non ideal. Contohnya yaitu soas tomat, kecap, slurry permen, dan susu kental manis. Menurut Kartika (1990), viskositas suatu bahan dipengaruhi oleh beberapa factor, yaitu : 1) Suhu Viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Jika suhu naik maka viskositas akan turun, dan begitu pula sebaliknya. Hal ini disebabkan karena adanya gerakan partikel-partikel cairan yang semakin cepat apabila suhu ditingkatkan dan menurun kekentalannya. 2) Konsentrasi larutan Viskositas berbanding lurus dengan konsentrasi larutan. Suatu larutan dengan konsentrasi tinggi akan memiliki viskositas yang tinggi pula, karena konsentrasi larutan menyatakan banyaknya partikel zat yang terlarut tiap satuan volume. Semakin banyak partikel yang terlarut, gesekan antar partikel semakin tinggi dan viskositasnya semakin tinggi pula. 3) Berat molekul solute Viskositas berbanding lurus dengan berat molekul solute, karena dengan adanya solute yang berat akan menghambat atau memberi beban yang berat pada cairan sehingga akan menaikkan viskositasnya. 4) Tekanan Viskositas berbanding lurus dengan tekanan, karena semakin besar tekanannya, cairan akan semakin sulit mengalir akibat dari beban yang dikenakannya. Viskositas akan bernilai tetap pada tekanan atm. Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan antara lain : a. Viskometer kapiler Ostwald Viskositas dari cairan newton bisa ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan bagi cairan tersebut untuk lewat antara 2 tanda ketika ia mengalir karena gravitasi melalui viskometer Ostwald. Waktu alir dari cairan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bagi suatu zat yang viskositasnya sudah diketahui (biasanya air) untuk lewat 2 tanda tersebut. b. Viskometer Hoppler Berdasarkan hukum Stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga gaya gesek sama dengan gaya berat

3 gaya archimides. Prinsip kerjanya adalah menggelindingkan bola (yang terbuat dari kaca) melalui tabung gelas yang hampir tikal berisi zat cair yang diselidiki. Kecepatan jatuhnya bola merupakan fungsi dari harga resiprok sampel. c. Viskometer Cup dan Bob Prinsip kerjanya sampel digeser dalam ruangan antara dinding luar dari bob dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengah-tengah. Kelemahan viskometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan geseran yang tinggi disepanjang keliling bagian tube sehingga menyebabkan penurunan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini menyebabkan bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebut aliran sumbat. d. Viskometer Cone dan Plate 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. Metoda Ostwald merupakan suatu variasi dari metoda Poisseuille. Prinsip dari metode ini dapat dipelajari dari gambar 1. sejumlah tertentu cairan dimasukkan ke dalam A, kemudian dengan cara menghisap atau meniup, cairan dibawa ke B, sampai melewati garis m. Selanjutnya cairan dibiarkan mengalir secara bebas dan waktu yang diperlukan untuk mengalir bebas dan waktu yang diperlukan untuk mengalir dari garis ke n diukur. Pada proses pengaliran melalui kapiler C, tekanan penggerak tidak tetap dan pada setiap saat sama dengan h.g.ρ, dengan h adalah beda tinggi permukaan cairan pada kedua reservoir alat, g adalah percepatan gravitasi dan ρ adalah rapat massa cairan. Gambar 1. Viskometer Ostwald

4 Karena pada metode ini selalu diperhatikan aliran cairan dari m ke n dan menggunakan viskometer yang sama, maka viskositas suatu cairan dapat ditentukan dengan membandingkan hasil pengukuran waktu t, rapat massa ρ cairan tersebut terhadap waktu t o dan rapat massa ρ o, cairan pembanding yang telah diketahui viskositasnya pada suhu pengukuran. Perbandingan viskositas kedua cairan dapat dinyatakan sebagai : (Persamaan 1) : t 0 t0 0 Dari persamaan (1), viskositas cairan dapat dihitung dengan merujuk pada viskositas cairan pembanding. Viskositas cairan adalah fungsi dari ukuran dan permukaan molekul, gaya tarik antar molekul dan struktur cairan. Tiap molekul dalam cairan dianggap dalam kedudukan setimbang maka sebelum suatu lapisan molekul dapat melewati lapisan molekul lainnya diperlukan suatu energi tertentu. Sesuai dengan hukum distribusi Maxwell-Boltzmann, jumlah moleul yang memiliki energi yang diperlukan untuk mengalir dihubungkan dengan faktor e E/RT. Secara kuantitatif pengaruh suhe terhadap viskositas dinyatakan dengan persamaan empirik: (Persamaan 2) : Atau E RT Ae / E ln ln A RT A adalah tetapan yang sangat bergantung pada massa moleul relatif dan volume molar cairan dan E adalah energi ambang per mol yang diperlukan untuk proses awal aliran (Tim Dosen Kimia Fisika, 2007).

5 III. ALAT DAN BAHAN 1. Alat-alat yang digunakan: a. Viskometer Ostwald b. Termostat c. Termometer 0-100ºC d. Pencatat waktu atau stopwatch e. Pipet ukur 25 ml f. Pipet filter g. Piknometer atau neraca westphal 2. Bahan-bahan yang digunakan: a. Cairan yang akan ditentukan viskositasnya, yaitu: air sabun 5% dan alkohol 10% b. Air suling sebagai cairan pembanding

6 IV. CARA KERJA Diletakkan pada thermostat dengan posisi vertikal Viskometer Otswald Memipet cairan ke reservoir A sehingga : Mengatur suhu thermostat (30 o C, 35 o C, 40 o C, 45 o C, 50 o C Viscometer dan isinya dibiarkan 10 menit untuk mencapai suhu termostat Mencatat waktu yang diperlukan cairan untuk mengalir dari m ke n. Lakukan beberapa kali Menentukan ρ cairan dengan piknometer Melakukan pengerjaan pertama sampai terakhir untuk cairan pembanding (air suling) dengan viskometer yang sama

7 log log V. HASIL DAN PEMBAHASAN ρ o ρ alkohol ρ air sabun = 0,988 gr/ml = 0,988 gr/ml = 0,999 gr/ml T (K) η alkohol η air sabun 1/T Log η alkohol Log η air sabun 303 0, , ,0033-3,111-3, , , ,0032-3,180-3, , , ,0032-3,265-3, , , ,0031-3,347-3, , , ,0031-3,424-3, y = 1549x R² = /T Gambar 2. Hubungan antara log η dengan 1/T pada alkohol 10% y = 1073.x R² = /T Gambar 3. Hubungan antara log η dengan 1/T pada air sabun 5%

8 Praktikum viskositas dan tenaga pengaktifan aliran ini bertujuan untuk menentukan besarnya harga viskositas dan mempelajari pengaruh suhu terhadap viskositas cairan dengan menggunakan metoda Otswald. Adapun cairan yang akan diuji viskositas dan energy pengaktifan aliran nya dalam praktium ini adalah larutan alkohol 10% dan larutan air sabun 5%, dengan air suling (aquades) sebagai cairan pembanding. Massa piknometer kosong dan massa piknometer setelah diisi air, larutan alkohol 10% dan air sabun 5% ditimbang. Hal ini dimaksudkan untuk menghitung massa jenis (ρ) masing-masing cairan tersebut. Adapun hasil yang diperoleh, yaitu : ρ air = 0,998 gr/ml ρ alkohol 10% = 0,988 gr/ml ρ air abun 5% = 0,999 gr/ml Untuk menghitung besarnya koefisien viskositas (η) air sebagai cairan pembanding dan besarnya koefisien viskositas larutan yang akan diuji, yaitu larutan alkohol 10% dan air sabun 5%, digunakan viskometer Viskometer terlebih dahulu dibilas dengan aquades atau alkohol untuk menjaga validitas viskometer yang digunakan sehingga data praktikum yang diperoleh benar-benar tepat. Adapun rata-rata waktu yang diperoleh pada suhu 30 o C, 35 o C, 40 o C, 45 o C, 50 o C berturut-turut berdasarkan hasil praktikum pada : (1) air : 78,6 ; 75 ; 69,6 ; 66,6 ; 62,4 ; (2) larutan alkohol 10% : 76,8 ; 69 ; 58,8 ; 50,4 ; 43,2 ; (3) larutan air sabun 5% : 96 ; 90 ; 81 ; 75,6 ; 66,6. Data tersebut selanjutnya diolah untuk menghitung besarnya koefisien viskositas (η) air, alkohol dan air sabun. Nilai koefisien viskositas (η) yang diperoleh dicari hubungannya dengan suhu (T) melalui grafik log η vs 1/T seperti pada gambar 2 dan 3. Energi pengaktifan aliran larutan alkohol 10% dan larutan air sabun 5% berturut-turut berdasarkan grafik yaitu 12,795 kj/mol dan 8,92 kj/mol. Berdasarkan gambar 2 dan 3, dapat ditarik kesimpulan bahwa ternyata viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Hal ini sesuai dengan teori yang ada. Jika suhu naik maka viskositas akan turun, dan begitu pula sebaliknya. Hal ini disebabkan karena adanya gerakan partikel-partikel cairan yang semakin cepat apabila suhu ditingkatkan dan menurun kekentalannya.

9 VI. KESIMPULAN DAN SARAN 1. Kesimpulan a. Berikut merupakan viskositas air, larutan alcohol 10% dan larutan air sabun 5% dalam berbagai suhu : Viskositas ( N detik/m 2 ) Suhu ( o C) Air Lar. Alkohol 10% Lar. Air Sabun 5% 30 0, , , , , , , , , , , , , , ,00059 b. Viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Semakin tinggi suhu reaksi, semakin kecil nilai koefisien viskositasnya. Sebaliknya, semakin rendah suhu reaksi, semakin besar nilai koefisien viskositasnya. 2. Saran a. Praktikan lebih teliti dalam melakukan praktikum sehingga data yang diperoleh tepat b. Praktikum harus menguasai materi praktikum sebelum pelaksanaan VII. DAFTAR PUSTAKA Kartika.1990.Viskositas.Makassar : Universitas Hasanuddin. Kramer.1996.Penuntun Praktium Kimia Fisik untuk Universitas.Jakarta : PT Gramedia. Lewis.1978.Kimia Fisika Jilid 2.Jakarta : Erlangga. Suyitno.1988.Kimia Fisika.Jakarta : Bumi Pustaka. Tim Dosen Kimia Fisika.2007.Diktat Petunjuk Praktikum Kimia Fisik.Semarang : FMIPA UNNES. Mengetahui, Semarang, 12 November 2012 Dosen Pengampu Praktikan, Ir. Sri Wahyuni, M.Si Ana Yustika NIM

10 PERTANYAAN DAN JAWABAN 1. Bilangan Reynold adalah bilangan tidak berdimensi NR NR = 2r V Hubungan bilangan Reynold dengan aliran laminer bahwa aliran suatu fluida laminer (non turbulen) dipengaruhi oleh bilangan Reynold. Bila V suatu fluida menjadi cukup besar, maka aliran laminer rusak dan turbulensi terjadi. 2. Cara lain untuk menentukan viskositas yaitu dengan metode kapiler oleh sevolume tertentu cairan V 1 untuk mengalir melalui pipa kapiler di bawah tekanan penggerak pertemuan yang tetap. Dapat dinyatakan sebagai berikut. R 4 t 8Vl LAMPIRAN Suhu Waktu Alir ( o C) t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t ,31 1,32 1,30 1,61 1,61 1,58 1,27 1,29 1, ,26 1,26 1,25 1,50 1,48 1,52 1,13 1,17 1, ,16 1,16 1,16 1,35 1,36 1,34 0,98 0,98 0, ,11 1,11 1,10 1,26 1,27 1,25 0,86 0,83 0, ,05 1,05 1,02 1,10 1,11 1,12 0,73 0,73 0,70 Zat air Air sabun 5% Alkohol 10% Menghitung ρ larutan Mencari ρ air Massa piknometer kosong Massa piknometer + air Massa air (m) ρ air = gram = gram = gram m = V ρ air = Mencari ρ air sabun 5% Massa piknometer kosong = gram/ml 25 = gram Massa piknometer + air sabun = gram Massa air sabun (m) = gram

11 ρ air sabun = V m ρ air sabun = Mencari ρ alkohol 10% Massa piknometer kosong Massa piknometer + alkohol = gram/ml 25 = gram = gram Massa alkohol (m) = gram ρ alkohol ρ alkohol = = V m = g/ml 25 Menghitung viskositas larutan Rumus viskositas relatif Viskositas air Berdasaran literatur, viskositas air pada suhu : 30ºC = 0,0080 dyne detik/cm 2 = 0,00080 N detik/m 2 35ºC = 0,0080 dyne detik/cm 2 = 0, N detik/m 2 40ºC = 0,0065 dyne detik/cm 2 = 0,00065 N detik/m 2 45ºC = 0,0080 dyne detik/cm 2 = 0,00060 N detik/m 2 50ºC = 0,0055 dyne detik/cm 2 = 0,00055 N detik/m 2 Viskositas larutan alkohol 10% 30ºC = N detik/m 2 35ºC = N detik/m 2 40ºC = N detik/m 2 45ºC = N detik/m 2 50ºC = N detik/m 2 Viskositas larutan air sabun 5% 30ºC = N detik/m 2 35ºC = N detik/m 2

12 40ºC = N detik/m 2 45ºC = N detik/m 2 50ºC = N detik/m 2 Menghitung Energi Pengaktifan Aliran (E) Larutan alkohol 10% y = 1549x 8,216 m = 1549 b = - 8,216 E = m x R = 1549 x 8,314 J/mol = J/mol = 12,795 kj/mol Larutan air sabun 5% y = 1073x 6,549 m = 1073 b = - 6,549 E = m x R = 1073 x 8,314 J/mol = 8920,92 J/mol = 8,92 kj/mol