MEKANIKA FLUIDA DISIPLIN ILMU YANG MERUPAKAN BAGIAN DARI BIDANG MEKANIKA TERAPAN YANG MENGKAJI PERILAKU DARI ZAT-ZAT CAIR DAN GAS DALAM KEADAAN DIAM ATAUPUN BERGERAK. CONTOH TERAPAN DIBIDANG FARMASI DAN KESEHATAN?
CONTOH TERAPAN MEKANIKA FLUIDA DIBIDANG FARMASI DAN KESEHATAN ALIRAN DARAH DI PEMBULUH DARAH KAPILER FILLING SEDIAAN CAIR KEDALAM KEMASAN PENGADUKAN CAIRAN/PELARUT DALAM MIXER ALIRAN CAIRAN STERIL DALAM SELANG INFUS DAN JARUM SUNTIK ALIRAN UDARA DI RUANG PRODUKSI FARMASI (LAF) PERGERAKAN MEDIA PADA UJI DISOLUSI ALIRAN UDARA PADA FBD TEKANAN UAP AUTOCLAVE DLL
FLUIDA? KERAS, jarak antar molekul yg rapat dgn gaya kohesi yg besar LUNAK, molekul agak terpisah dgn gaya kohesi yg lemah Benda PADAT V.S FLUIDA DEFORMASI FLUIDA ZAT YANG BERDEFORMASI SECARA TERUS-MENERUS SELAMA DIPENGARUHI SUATU TEGANGAN GESER
zat CAIR Dapat dengan mudah dideformasi (tapi tidak mudah dimampatkan) Dapat dituang ke bejana atau dipaksa melalui tabung FLUIDA GAS Jarak molekul yang lebih besar Gerakan bebas dan gaya antarmolekul dapat diabaikan Sangat mudah dideformasi (dan dimampatkan) Mengisi secara penuh volume suatu bejana SEMISOLIDS?
Mengkaji masingmasing molekul? IMPOSIBLE Kajian Perilaku Fluida Nilai rata-rata atau makroskopik dari besaran yg ditinjau Dievaluasi pada volume kecil yg berisi banyak molekul Apakah Relevan? Asumsi: Seluruh karakteristik fluida yg ditinjau (tekanan, kecepatan, dll) bervariasi secara terusmenerus di seluruh fluida kita memperlakukan fluida sebagai sistem kontinyu (hipotesis kontinum)
DIMENSI Besaran Primer: Panjang (L) Waktu (T) Massa (M) Temperatur (θ,theta) Besaran Skunder: Luas = L 2 Kecepatan = LT -1 Kerapatan = ML -3 Untuk mempelajari mekanika fluida: MLT atau FLT Gaya (F) =MLT -2 misal, Dimensi Tegangan (σ, sigma) = FL -2 = ML -1 T -2
SATUAN Sistem Gravitasi Inggris (British Gravitational (BG) System) Panjang: kaki (ft) Waktu: detik (s) Gaya: pound (lb) Temperatur: Fahrenheit ( o F) Temperatur mutlak: Rankine ( o R) o R = o F + 459,67 Massa (slug) diturunkan dari hukum kedua Newton (gaya=massa x percepatan) 1 lb = (1 slug) (1 ft/s 2 ) Sistem Internasional (SI) Panjang: meter (m) Waktu: detik (s) Massa: kilogram (kg) Temperatur: Kelvin (K) K = o C +273,15 Gaya: Newton (N) 1 N = (1kg)(1 m/s2) Kerja: Joule (J) 1J = 1N.m Daya: watt (W) 1W =1 J/s = 1 N.m/s Sistem Teknik Inggris (English Engineering (EE) System) Panjang: kaki (ft) Waktu: detik (s) Temperatur mutlak: Rankine ( o R) Massa: pound massa (lbm) Gaya: pound (lb/lbf)
SOAL Sebuah tangki air dengan massa total 40 kg terletak didalam lift. Tentukan gaya (dalam N) yang diberikan oleh tangki kepada lantai lift ketika lift tersebut naik dengan percepatan keatas sebesar 10 ft/s 2! 1 ft = 0,3048 m g = 9,81 m/s2 W Ff a
W: berat tangki dan air Ff: reaksi lantai pada tangki air F = m.a Ff - W = m.a Ff = m (g+a) W Ff a
Ff = m (g+a) Ff = 40 kg [ 9,81 m/s 2 + 10 ft/s 2.(0,3048 m/ft) Ff = 514,3 kg. m/s 2 =514,3 N Gaya yang diberikan oleh tangki kepada lantai lift =514,3 N (kearah bawah) W Ff a
KERAPATAN (Density, ρ = rho) Massa fluida per satuan volume Biasa digunakan untuk mengkarakterisasi massa sebuah sistem fluida Satuan: kg/m 3 (SI) slugs/ft 3 (BG) Nilai kerapatan dapat bervariasi cukup besar diantara fluida yang berbeda Untuk zat cair, variasi tekanan dan temperatur pada umumnya berpengaruh kecil terhadap ρ Untuk gas, variasi tekanan dan temperatur sangat berpengaruh terhadap ρ Volume jenis (v) adalah volume per satuan massa kebalikan ρ V = 1 ρ *tidak biasa digunakan dalam mekanika fluida, digunakan termodinamika
Spesific weight (Berat Jenis?) (γ = gamma) Berat fluida per satuan volume γ = ρ.g g = percepatan gravitasi lokal digunakan untuk mengkarakterisasi berat sebuah sistem fluida Satuan: lb/ft 3 (BG) N/m 3 (SI)
Gravitasi Jenis (Spesific Gravity) Perbandingan kerapatan fluida dengan kerapatan air pada temperatur tertentu biasanya pada 4 o C / 39,2 o F ρ air adalah 1,94 slugs/ft 3 atau 1000kg/m 3 SG = ρ ρ H 2 O @ 4 o C
HUKUM GAS IDEAL Gas sangat mudah dimampatkan dibandingkan zat cair Perubahan kerapatan gas berhubungan langsung dengan perubahan tekanan dan temperatur p = ρrt PV = nrt p: tekanan mutlak ρ: kerapatan n: mol (jumlah molekul) V: Volume R: konstanta gas (8,314 J/K.mol) T: temperature mutlak Tekanan dalam sebuah fluida dalam keadaan diam didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luas yang diberikan pada sebuah permukaan bidang yang terendam dalam fluida, terbentuk dari tumbukan permukaan tersebut dengan molekul-molekul fluida Dimensi FL -2 Satuan: lb/ft 2 (psf) atau lb/in 2 (psi) (BG) N/m 2 (pascal, Pa) (SI)
Tekanan dalam hukum gas ideal dinyatakan dalam tekanan mutlak Tekanan tersebut diukur relative terhadap tekanan nol mutlak (hanya terjadi pada suatu ruang hampa sempurna) Tekanan atmosfer standar pada permukaan laut: 14,696 psi atau 101,33 kpa
VISKOSITAS Untuk menggambarkan fluiditas dari fluida Viskositas/viskositas mutlak/viskositas absolut/viskositas dinamik: sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser dengan gerakan fluida sifat yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser Tahanan suatu fluida (cairan) untuk mengalir, semakin tinggi viskositas, semakin tinggi tahanannya
VISKOSITAS Ketika gaya (F) diberikan pada pelat atas, maka pelat tersebut akan bergerak secara kontinyu dengan kecepatan u. F t F = µ AU t Dimana tegangan geser (tau,τ) = F/A τ = µ U t τ = µ du dy µ (mu)/ η (eta)= viskositas/viskositas mutlak/viskositas dinamik/viskositas absolut Satuan: Pa.S = N.S/m2 = kg/(m s), poise (P) = g.cm -1.s -1 1cP=1mPa.S
VISKOSITAS KINEMATIK Merupakan perbandingan antara viskositas absolut (µ) dengan kerapatan (ρ ) cairan tersebut V (nu) = µ ρ Dimensi: L 2 T -1 Satuan: m 2 /s, stokes (St)= cm 2 /s
KUIS Dengan menggunakan viscometer Ostwald, aseton diukur memiliki viskositas 0,313 cp pada 25 O C. Kerapatan aseton pada 25 O C adalah 0,788 g/cm3. berapa viskositas kinematisnya 25 O C? Jika digunakan air sebagai standard untuk viskositas cairan, berapakah viskositas relative aseton terhadap air pada 25 O C (viskositas air pada 25 O C = 0,8904cP)?
TEKANAN UAP Cairan menguap karena molekul-molekul melepaskan diri dari permukaan cairan molekul memiliki momentum yang cukup untuk mengatasi gaya kohesi antar molekul Apabila carian berada dalam bejana tertutup dengan sedikit ruang berisi udara dipermukaannya, kemudian divakum, maka akan terbentuk tekanan didalam bejana akibat dari uap yg terbentuk oleh molekul yg melepaskan diri. Ketika terjadi kondisi kesetimbangan dimana jumlah molekul yang meninggalkan permukaan sama dengan jumlah yang molekul yang masuk (terkondensasi), uap tersebut dikatakan telah jenuh, dan tekanan yang diberikan disebut tekanan uap.
TEKANAN UAP Tekanan uap untuk fluida tergantung pada suhu (meningkat dengan kenaikan suhu) Apabila tekanan diatas permukaan cairan sama dengan tekanan uap cairan tersebut, maka terjadi pendidihan Pada tekanan atmosfer, air mendidih pada temperature 212 o F (tekanan uap air pada 212 o F adalah 14,7 psi) Pada tekanan atmosfer 10,1 psi, pendidihan air terjadi pada temperature 193 o F
TEGANGAN MUKA
TEGANGAN PERMUKAAN Molekul dalam cairan dikelilingi oleh molekul lain di segala arah yang memiliki gaya Tarik menarik (kohesi) yang sama. Molekul pada permukaan cairan hanya dipengaruhi gaya kohesi dari molekul di samping dan dibawah. gaya netto akan mengarah kedalam cairan. sebagai konsekuensi terbentuk kulit/membrane hipotesis. gaya tarik dapat dianggap bekerja pada bidang permukaan sepanjang suatu garis dipermukaan untuk mengimbangi gaya tarikan kedalam
TEGANGAN PERMUKAAN Simbol: σ (sigma), γ (gamma) Dimensi: FL -1 Satuan: lb/ft, N/m, dyne/cm