Karakteristik Fluida

ABSTRAK

Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir dan dapat mengalami perubahan-perubahan bentuk secara kontinyu atau terus menerus bila terkena tekanan atau gaya walaupun relatif kecil. Viskositas dari suatu fluida adalah besaran yang menunjukkan tahanan gesekan terhadap aliran. Shear stress (τ) adalah istilah yang diberikan untuk stress yang diinduksi saat molekul saling melewati satu sama lain sepanjang bidang yang ditentukan. Gradien kecepatan (-dV/dr atau γ) adalah ukuran seberapa cepat satu molekul tergelincir melewati yang lainnya, oleh karena itu, juga disebut sebagai shear rate. Rheologi menggambarkan hubungan antara gaya, deformasi dan waktu. Dari hasil praktikum didapatkan nilai viskositas air pada alat corong kapiler, tube viscometer, dan viskometer digital sebesar 0.017 Pa.s, 0.38808 Pa.s dan 0.026 Pa.s sedangkan pada sampel susu didapatkan viskositas pada alat corong kapiler dan pada viskometer digital sebesar 0.019 Pa.s dan 0.21 Pa.s.

Kata kunci: rheologi, shear stress, shear rate, viskometer, viskositas

ABSTRACT

Fluid is a substance that can flow and can changes continuously when exposed to pressure or force although relatively small. Viscosity is a measure of resistance to flow of a fluid. Shear stress (τ) is the term given to the stress induced when molecules slip past one another along a defined plane. The velocity gradient (-dV/dr or γ) is a measure of how rapidly one molecule is slipping past another, therefore, it is also referred to as the rate of shear. Rheology describes the relationship between force, deformation and time. From the result of the experiment, the viscosity value of water in capillary funnel device, viscometer tube, and digital viscometer is 0.017 Pa.s, 0.38808 Pa.s and 0.26 Pa.s and in the milk samples obtained viscosity in capillary funnel and on a digital viscometer of 0.019 Pa .s and 0.021 Pa.s.

Key words: rheology, shear stress, shear rate, viscometer, viscosity

PENDAHULUAN

Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir dan dapat mengalami perubahan-perubahan bentuk secara kontinyu atau terus menerus bila terkena tekanan atau gaya walaupun relatif kecil. Fluida mencakup zat cair, gas, air dan udara. Memahami karakteristik fluida bahan sangat penting terutama dalam transport bahan. Transport bahan cairan biasanya akan lebih mudah dan efisien jika dilakukan dengan pipa-pipa (Setiasih, 2008).

Konsep viskositas berawal dari fluida yang bersentuhan dengan dinding, memiliki kecepatan aliran linier sama dengan nol, kecepatan linier tersebut bila diikuti dari permukaan dinding ke arah sumbu aliran akan bertambah harganya. Keadaan demikian menunjukkan adanya tahanan terhadap aliran yang bersangkuta, sedangkan indeks konsistensi (k) adalah tingkat mudah atau tidaknya fluida mengalir. Konsistensi sebenarnya salah satu ukuran dan tahanan internal terhadap cairan. Namun kini sebagian besar peralatan yang digunakan untuk mengukur konsistensi dari fluida termasuk bahan pangan yang dapat mengalir menunjukkan hasil pengukuran yang dinyatakan dalam satuan viskositas. Oleh karena itu, viskositas dari suatu fluida adalah besaran yang menunjukkan tahanan gesekan terhadap aliran (Nurhasanah dan Bambang, 2010).

Shear stress (τ) adalah istilah yang diberikan untuk stress yang diinduksi saat molekul saling melewati satu sama lain sepanjang bidang yang ditentukan. Gradien kecepatan (-dV/dr atau γ) adalah ukuran seberapa cepat satu molekul tergelincir melewati yang lainnya, oleh karena itu, juga disebut sebagai shear rate. Posisi dari mana jarak diukur menentukan shear rate adalah titik aliran dimana kecepatan maksimum, oleh karena itu, karena jarak r meningkat dari titik acuan ini, V berkurang dan gradien kecepatan adalah kuantitas negatif. Karena shear stress selalu positif, dengan menyatakan shear rate sebagai -dV / dr memenuhi persamaan shear stress sebagai fungsi shear rate. Fluida yang menunjukkan peningkatan linear pada shear stress dengan shear rate disebut fluida Newtonian sedangkan (μ) disebut viskositas (Toledo, 2007).

Gambar 1. Grafik Hubungan antara Shear Strees dengan Shear Rate

Rheologi adalah studi tentang aliran dan deformasi materi dari padatan ke gas. Rheologi menggambarkan hubungan antara gaya, deformasi dan waktu. Itu berasal dari Yunani "rheos" yang berarti mengalir. Konsistensi produk yang berbeda menggambarkan reologi fluida. Reologi fluida dipelajari dengan viskositas dan elastisitas (Carman, 2008).

METODOLOGI

Alat dan Bahan

Alat yang digunakan yaitu corong kapiler, penggaris, piala gelas, stopwatch, tube viscometer dan viskometer digital.

Bahan yang digunakan yaitu air dan susu.

Corong Kapiler

Gambar 2. Corong Kapiler

Dipasang alat sesuai pada gambar kemudian mulut corong ditutup dahulu. Diukur R, A_pipa dan ρ_sampel, kemudian sampel dimasukkan sampai batas h₁ dan dibuka pipa  hingga sampel mencapai h₂, dicatat waktu dan volume yang keluar. Prosedur ini diulangi sampai h_6. Setelah itu hitung viskositasnya dengan cara:

 

(Toledo, 2007)

Tube Viscometer

Gambar 3. Tube Viscometer

      Pertama ditahan pipa kecil kemudian dimasukkan sampel sampai garis I. Selanjutnya pipa dibuka hingga sampel mencapai garis II, selama proses diukur dan dicatat waktunya. Kemudian dihitung menggunakan rumus:

(Heldman dan Singh, 1981)

Viskometer Digital

Gambar 4. Viskometer Digital

Pertama dipasang spindel pada alat dan alat dinyalakan. Diatur pada alat jenis spindel yang digunakan dan RPMnya. Dimasukkan sampel ke dalam wadah dan spindel direndam hingga setingg  sampel dan kemudian ditekan tombol start pada alat maka langsung keluar hasilnya sebagai satuan mPas (%kepercayaannya harus diantara 15-90%).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Corong Kapiler

Gambar 5. Grafik Hubungan pada Sampel Air

Gambar 6. Grafik Hubungan pada Sampel Susu

Tabel 1. Hasil Pengamatan pada Corong Kapiler

Sampel	h (cm)	t (s)	V (mL)	Q (cm3/s)	Ṽ (cm/s)	x	Y	n	k	μ
Air	43.5	6.11	200	32.73	151.86	7.75	6.05	0.9955	4.28	0.1825
	38.5	5.49	150	27.32	126.76	7.57	5.93			0.1935
	33	2.65	81	30.57	141.81	7.68	5.77			0.1482
	28	1.97	44	22.34	103.62	7.37	5.61			0.1722
	22.5	0.91	16.5	18.13	84.12	7.16	5.39			0.1704
Susu	43.5	6.67	200	29.99	139.11	7.66	6.09	0.7013	0.36	0.2188
	38.5	4.7	150	31.91	148.07	7.72	5.97			0.1820
	33	4.1	82	20	92.79	7.26	5.81			0.2489
	28	1.7	50	29.41	136.45	7.64	5.65			0.1430
	22.5	0.74	15	20.27	94.04	7.27	5.43			0.1665

(Sumber: Dokumentasi Pribadi, 2017)

Rata-rata μ air   :0.1734 Poise=0.017 Pa.s
Rata-rata μ susu :0.1918 Poise=0.019 Pa.s

Nilai shear stress terhadap shear rate pada air menurut Toledo, 2007 adalah 1 atau termasuk ke dalam fluida newtonian, sedangkan pada hasil praktikum kali ini didapatkan nilai n (slope) sebesar 0.9955, dari hasil literatur dan praktikum terdapat sedikit perbedaan, banyak faktor yang menyebabkan perbedaannya diantaranya kesalahan saat menghitung waktu dan volumenya, karena prosesnya begitu cepat saat membuka pipa kapiler dan menutupnya kembali.

Pada sampel susu nilai n kurang dari 1 yang menandakan fluida ini bukan merupakan fluida newtonian. Dilihat dari grafik hubungannya susu ini termasuk kedalam fluida pesedoplastic yang artinya viskositasnya berkurang dengan bertambahnya shear rate atau kecepatan gradien disebut juga sebagai shear thinning (Carman, 2008).

Menurut Deeth dan Michael, 2017 air mempunyai viskositas sebesar 1.0 mPa.s atau 10^-3 Pa.s pada suhu 20⁰C dan susu mempunyai nilai 2 kalinya dari air. Dari hasil praktikum didapatkan viskositas air sebesar 0.017 Pa.s dan susu 0.019 Pa.s bila dibandingkan dengan literatur sangat jauh. Beberapa faktor yang menyebabkannya diantara lain ir yang digunakan bukan akuades namun air keran dan suhu air pada saat itu tidak diukur sedangkan pada literatur suhu airnya 20⁰C selain itu susu yang menjadi sampel sangat cair sehingga viskositasnya pun rendah dan tidak berbeda jauh dengan air yang menjadi sampel. Bila data ini dibandingkan dengan hasil pengukuran viskometer digital maka untuk air pada viskometer digital sebesar 0.026 Pa.s sedangkan pada susu 0.021 Pa.s. Pada sampel air ditemukan perbedaan cukup jauh yakni 0.009 Pa.s atau 9 mPa.s karena pada percobaan waktunya sangat cepat sehingga mungkin ada penghitungan waktu yang terlalu cepat atau pun terlalu lama. Pada sampel susu perbedaannya sangat sedikit, artinya pada percobaan viskositas susu hasilnya mendekati angka sebenarnya karena alat instrumen viskometer digital sudah terkalibrasi sehingga keakuratannya lebih tinggi dibandingkan data percobaan.

Tube Viscometer

Tabel 2. Hasil Pengamatan pada Tube Viscometer

R (jari-jari)	0.4 cm
ρ air (massa jenis)	1 g/cm2
h	15 cm
L	10 cm
t	13.2 s
g	9.8 m/s2
μ	0.38808 Pa.s

Menurut Deeth dan Michael, 2017 air mempunyai viskositas sebesar 1.0 mPas atau 10^-3 Pa.s pada suhu 20⁰C, namun pada praktikum kali ini didapatkan hasil viskositas air sebesar 0.38808 Pa.s.  Hal ini jauh menyimpang dibandingkan literatur dikarenakan air yang digunakan bukan akuades namun air keran dan suhu air pada saat itu tidak diukur sedangkan pada literatur suhu airnya 20⁰C.

Viskometer Digital

Tabel 3. Hasil Pengamatan Viskometer Digital Sampel Air

RPM	μ (Pa.s)	%
2	2.78	9.1
5	1.12	9.3
50	0.024	20.5
60	0.026	26.4
100	0.027	46.5

Viskometer digital yang digunakan pada praktikum kali ini adalah jenis rotatory vicometer karena prinsip pengukuran viskositasnya dengan menerapkan rotor penggerak. Dalam menu terdapat plihan kecepatan rotasi dan jenis spindel dengan mengasilkan nilai viskositas dengan satuan mPa.s. Cara mengukur dengan viskometer digital jenis rotatory vicometer ini adalah dengan mencelupkan ujung alat ke cairan lalu dilihat angka viskositasnya pada alat. (Permono, 2015)

Pada pengukuran menggunakan viskometer digital ada berbagai macam bentuk spindel sesuai dengan kekentalan cairan. Untuk cairan yang sangat cair seperti air digunakan spindel dengan ukuran L1. Kemudian diatur RPMnya hingga mencapai % kepercayaan 15-90% bila diluar rentang tersebut data tersebut tidak valid atau bukan data yang sebenarnya. Syarat persen yang memenuhi yaitu pada RPM 50, 60 dan 100 maka viskositas airnya diantara 0.024-0.027 Pas. Pada RPM 200 alat menunjukkan hasil error yang artinya tidak sesuai sehingga tidak menunjukkan angka dan pada RPM 2 dan 5 %nya diluar rentang sehingga data tersebut tidak valid. Namun menurut Deeth dan Michael, 2017 air mempunyai viskositas sebesar 1.0 mPa.s atau 10^-3 Pa.s pada suhu 20⁰C dan susu mempunyai nilai 2 kalinya dari air. Hal ini jauh menyimpang dibandingkan literatur dikarenakan air yang digunakan bukan akuades namun air keran dan suhu air pada saat itu tidak diukur sedangkan pada literatur suhu airnya 20⁰C.

Tabel 4. Hasil Pengamatan Viskometer Digital Sampel Susu

RPM	μ (Pa.s)	%
10	1.09	-
30	0.031	15.4
50	0.02	16.9
60	0.023	23.7
100	0.02	34.3

Gambar 7. Grafik Hubungan antara Viskositas dengan RPM pada Sampel Air dan Susu

          Menurut Deeth dan Michael, 2017 susu mempunyai nilai viskositas 2 kalinya dari air. Namun berdasarkan hasil praktikum nilai viskositas susu lebih rendah dibandingkan air, hal tersebut dapat dikarenakan sampel susu yang digunakan encer dan kurang kental sehingga nilai viskositasnya lebih rendah.
        Berdasarkan grafik dapat diihat nilai viskositas air lebih tinggi dibandingkan susu. Pada air semakin besar RPMnya maka semakin besr pula viskositasnya namun air bukan termasuk kelompok shear tickening melainkan termasuk kedalam fluida Newtonian. Namun pada susu semakin besar RPMnya semakin rendah viskositasnya (shear thinning).

KESIMPULAN

Dari hasil praktikum karakteristik fluida didapatkan nilai viskositas air pada alat corong kapiler sebesar 0.017 Pa.s, pada tube viscometer sebesar 0.38808 Pa.s dan pada alat viskometer digital sebesar 0.026 Pa.s sedangkan pada sampel susu didapatkan viskositas pada alat corong kapiler sebesar 0.019 Pa.s dan pada viskometer digital sebesar 0.021 Pa.s.

DAFTAR PUSTAKA

Carman, Steve. 2008. Introduction to Rheology. Western Nevada College, Carson City, NV.

Deeth, H. C. dan Michael J. L. 2017. High Temperature Processing of Milk and Milk Products. John Willey & Sons Ltd, West Sussex, UK.

Heldman, D. R. dan Singh, R. P. 1981. Food Process Engineering. AVI Publishing    Co., Westport, CT.

Nurhasanah, Siti dan Bambang N. 2010. Sifat Fisik Bahan Pangan. Widya Padjadjaran, Bandung.

Permono, Ajar. 2015. Membuat Sabun dan Shampo. Penebar Swadaya Group, Jakarta.

Setiasih, I. S. 2008. Prinsip Keteknikan Pengolahan Pangan. Widya Padjadjaran,      Bandung.

Toledo, Romeo T. 2007. Fundamentals of Food Process Engineering 3^rd ed. University of Georgia, Georgia.

PDFnya disini
Kalau linknya bermasalah bisa komen di bawah atau kontak aku di ig ya