Viskositas

Viskositas

1. Viskositas

A.        Pengertian

Cairan mempunyai gaya gesek yang lebih besar untuk mengalir daripada gas. Sehingga cairan mempuyai koefisien viskositas yang lebih besar daripada gas. Viskositas gas bertambah dengan naiknya temperatur. Koefisien gas pada tekanan tidak terlalu besar, tidak tergantung tekanan, tetapi untuk cairan naik dengan naiknya tegangan.

Viskositas (kekentalan) dapat diartikan sebagai suatu gesekan di dalam cairan zat cair. Kekentalan itulah maka diperlukan gaya untuk menggerakkan suatu permukaan untuk melampaui suatu permukaan lainnya, jika diantaranya ada larutan baik cairan maupun gas mempunyai kekentalan air lebih besar daripada gas, sehingga zat cair dikatakan lebih kental daripada gas.

Koefisien viskositas fluida atau disingkat sebagai perbandingan tegangan luncur F/A, dengan cepat perubahan tegangan luncur :

B.        Dasar Teori Viskositas

Koefisien viskositas secara umum diukur dengan dua metode, yaitu :

1.        Viskositas Ostwald

Waktu yang dibutuhkan untuk mengalirkan sejumlah tertentu cairan dicatat dan dihitung dengan menggunakan hubungan :

Karena P =  . g . h maka persamaan di atas dapat ditulis sebagai berikut :Dimana :

P  =  tekanan hidrostatik

R  =  jari-jari kapiler / tabung

T  =  waktu aliran zat cair sebanyak volume (V) dengan beda tinggi (h)

l   =  panjang kapiler / tabung

Umumnya koefisien viskositas dihitung dengan membendingkan laju aliran cairan yang koefisien viskositasnya diketahui. Hubungan itu adalah :

Dimana :  d . t = laju aliran

1. Metode bola jatuh

Metode bola jatuh menyangkut gaya gravitasi yang seimbang dengan gerakan aliran pekat dan hubungannya adalah :

Dimana :

b = bola jatuh atau manik-manik

g = konstanta gravitasi

             Pada persamaan di atas bila digunakan perbandingan maka akan didapatkan :

dicatat dengan stopwatch. Percobaan diulangi lagi dengan cairan pembanding setelah dibersihkan. Dengan ini ditentukan t₁ dan t₂.

Viskositas suatu cairan  murni  merupakan  indeks  hambatan  air  cairan  atau larutan. Viskositas dapat diukur dengan menggunakan tabung Cannon Fenske, yaitu dengan menghitung waktu alir zat cair di dalam tabung Cannon Fenske. Cara ini juga untuk menghitung jari-jari molekul. Caranya yaitu setelah didapatkan waktu alir zat cair maka akan didapatkan viskositas dari zat cair tersebut. Selanjutnya akan didapat slope (A), akhirnya akan didapatkan jari-jari (r) dengan menggunakan persamaan :

A = 6,3 x 10²¹ x r³

Dimana :

A = slope

Persamaan tersebut didapatkan dari persamaan yang telah diturunkan oleh Einstein.

Aliran cairan viskositas dapat dikelompokkan menjadi dua tipe, yaitu :

1.      Aliran laminer  atau aliran kental

Menggambarkan laju aliran kecil melalui sebuah pipa dengan garis tengah kecil.

2.      Aliran turbulen

Menggambarkan laju aliran yang besar melalui pipa dengan diameter yang lebih besar.

Dengan kata lain pembagian ini ialah pertama bagian air yang mengalir seakan-akan mengikuti suatu garis tak putus, bik lurus maupun melengkung. Ada bagian-bagian yang alirannya berputar-putar dengan putaran yang tidak jelas ujung dan pangkalnya.

Aliran yang mengikuti suatu garis (lurus ataupun melengkung) yang jelas ujung dan pangkalnya disebut aliran garis arus atau dalam bahasa Inggris disebut aliran Streamline. Secara lebih cermat dikatakan bahwa aliran garis arus adalah aliran yang tiap partikel yang melalui suatu titik mengikuti suatu garis yang sama seperti partikel-partikel lain melalui titik itu. Selain itu, pada aliran garis arus arah gerak partikel-partikel itu sama dengan arah aliran secara keseluruhan. Garis yang dilalui oleh partikel-partikel itu pada aliran seperti ini disebut garis arus.

Berbeda dengan  aliran  garis  arus, ada  aliran yang  disebut  aliran  turbulent. Aliran turbulent ditandai oleh adanya aliran berputar. Ada partikel-partikel yang arah geraknya berbeda, bahkan berlawanan dengan arah gerak keseluruhan fluida. Jika aliran turbulent maka akan terdapat pusaran-pusaran dalam gerakannya dan lintasan partikel-partikelnya senantiasa berubah. Aliran turbulent menggambarkan laju aliran yang beasar melqlui pipa dengan diameter yang lebih besar.

Sifat dari fluida sejati adalah kompersibel, artinya volume dan massa jenisnya akan berubah bila diberikan tekanan. Selain itu juga fluida sejati mempunyai viskositas yaitu gesekan di dalam fluida sedangkan dalam anggapan fluida ideal semua sifat-sifat ini diabaikan.

Viskositas di dalam zat cair disebabkan oleh gaya kohesi antar molekul dan di dalam gas disebabkan oleh pelanggaran-pelanggaran antar molekul yang bergerak dengan cepat. Terutama dalam arus turbulent, viskositas ini naik dengan cepat sekali hamper berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatannya. Makin besar kecepatannya, makin besar viskositasnya.

Viskositas zat cair lebih besar daripada gas. Viskositas gas sedemikian kecilnya sehingga sering diabaikan. Viskositas fluida bergantung kepada suhunya. Viskositas ini pada umumnya yaitu zat cair, yang umumnya berkurang jika suhunya naik. Tetapi sebaliknya viskositas gas lebih besar jika suhunya naik.

Lapisan-lapisan gas atau zat cair yang mengalir saling berdesakan. Karena itu terdapat gaya gesek yang bersifat menahan aliran yang besarnya tergantung dari kekentalan zat cair tersebut.

Dimana :

=  angka kental dinamis

G         =  gaya gesek

A         =  luas lapisan

dV       =  beda kecepatan antara dua lapisan berjarak dY

dV/dY =  gradient kecepatan

Pengukuran viskositas merupakan cara termudah dalam menentukan berat molekul dan jari-jari molekul. Diantaranya, yaitu untuk menentukan viskositas dapat digunakan :

1.      Viskometer Oswald

Digunakan untuk menentukan viskositas dari suatu cairan dengan menggunakan air sebagai pembandingnya. Caranya yaitu dengan membandingkan waktu alir dan berat jenis cairan yang akan ditentukan dengan berat jenis cairan dan waktu alir.

Persamaan, yaitu :

Dimana :

Hubungan antara viskosits dan suhu pertama kali ditemukan oleh Carransicle pada tahun 1913.

Pada viskositas Ostwald yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah cairan tertentu mengaliri pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh gaya beratnya sendiri.

Pengukuran viskositas merupakan cara termudah dan termurah dalam menentukan berat molekul makro. Persamaan yang digunakan dalam pengukuran viskositas dengan viscometer ostwald adalah :

Pengukuran viskositas mempunyai beberapa bentuk diantaranya adalah

1.      Viskositas spesifik      =  =

2. Viskositas reduksi       =  =
3. Viskositas intrinsik      =    = limit

C         0

Dimana : C = konsentrasi makro molekul (gr/100 ml)

Einsteinlah yang pertama kali menghubungkan viskositas dengan berat molekul yaitu pada tahun  1906. Einstein  memperlihatkan  bahwa  viskositas  larutan molekul membentuk bulatan yang encer dapat dicari dengan menggunakan rumus Dimana :  = fraksi volume zat terlarut makro molekul

Dengan menyusun kembali persamaan di atas, diperoleh :

Karena makro molekul biasanya tidak berbentuk bulat maka sp/ pada

persamaan di atas mempunyai nilai lebih besar dari 2,5.

C.        Hukum Stokes

Benda bulat dengan radius r dan rapat adalah d yang jatuh karena gaya gravitasi    melalui fluida dengan rapat d_m akan dipengaruhi gaya sebagai berikut :

f₁  =  4/3  r³ ( d – d_m ) g

Benda yang jatuh mempunyai kecepatqan yang makin lama makin besar tetapi dalam medium ada gaya gesek yang  makin  besar  bila  kecepatan benda  jatuh makin besar. Pada saat kesetimbangan, besarnya kecepatan benda jatuh adalah tetap (v konstan). Menurut George Stokes, untuk benda bulat tersebut besarnya gaya gesek pada saat kesetimbangan adalah :

f₂  =  6  r  V

f₁  =  f₂

                4/3 r³ ( d – d_m ) g  =  6 r  V

Rumus ini berlaku bila jari-jari benda yang jatuh relative besar bila dibandingkan dengan jarak antara molekul-molekul fluida.

Rumus Stokes inilah yang merupakan dasar viskositas atau viscometer bola jatuh. Viscometer ini tersiri dari gelas silinder dengan cairan yang akan diteliti dan dimasukkan dalam thermostat.

Bola baja dengan rapat d dan diameter r dijatuhkan ke dalam tabung dan waktu yang diperlukan untuk jatuh di antara dua tanda a dan b dicatat dengan stopwatch.

 

D.        Pengaruh Temperatur Terhadap Viskositas

Viscositas merupakan besaran yang harganya tergantung terhadap temperatur. Pada kebanyakan fluida cair, bila temperatur naik viscositas akan turun, dan sebaliknya bila temperatur turun maka viscositas akan naik. Pada

Dinyatakan dengan rumus:

;  A dan B tetapan untuk cairan tertentu

T  =  Temperatur mutlak

Rumus ini dapat dipakai untuk cairan murni, adapun rumus untuk sistem beberapa cairan adalah:

;  A, B dan C adalah tetapan

2.         Gliserol

Gliserol adalah senyawa organik, juga biasa disebut gliserin, propana-1,2,3-triol, 1,2,3-propanetriol, 1,2,3-trihydroxypropane, glyceritol dan glycyl alkohol. Gliserol tidak berwarna, tidak berbau, cairan kental yang banyak digunakan dalam formulasi farmasi. Gliserol memiliki tiga hidrofilik kelompok hidroksil yang bertanggung jawab atas kelarutannya dalam air dan higroskopik alam. Gliserol substruktur adalah komponen utama dari banyak lipid. Gliserol ini berasa manis dan toksisitas yang rendah.

Gliserol memiliki rumus molekul C₃H₅ (OH)₃. Adapun massa molar gliserol adalah 92,09382 g / mol. Penampilannya jernih, tak berwarna, higroskopik dan memiliki bau. Kepadatan dari gliserol ini adalah 1,261 g / cm ³. Gliserol memiliki titik lebur 18 ° C (64,4 ° F) dan titik didih 290 ° C (554 ° F). Indeks biasnya adalah 1,4746 dan memiliki vsikositas 1,5 Pa s.

Sifat – sifat fisik dari Gliserol adalah sebagai berikut : Seperti ethylene glycol dan Propylene glycol, dilarutkan dalam air, gliserol mengganggu ikatan hidrogen antara molekul-molekul seperti campuran sedemikian rupa sehingga tidak dapat membentuk struktur kristal yang efektif kecuali suhu diturunkan secara signifikan. Titik beku minimum adalah sekitar 60-70% gliserol dalam air, seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Demikian, glycerol memiliki sifat anti-freeze.

Gliserol Freezing Point

Persen Gliserol (wt.%)	Freezing Point (° F / ° C)
0	32 / 0
10	29,1 / -1,6
20	23,4 / -4,8
30	14,9 / -9,5
40	4,3 / -15,4
50	-7,4 / -21,9
60	-28,5 / -33,6
70	-36 / -37,8
80	-2,3 / -19,1
90	29,1 / -1,6
100	62,6 / 17,0

Namun, gliserol lebih sulit untuk ditangani dalam bentuk murni karena viskositas tinggi. Gliserol berperilaku mirip dengan sirup, bukan karena berat molekul tinggi, tapi, sekali lagi, karena ikatan hidrogen. Gliserol dapat membentuk 3 ikatan hidrogen, sehingga tahan terhadap aliran.

Gliserol Viscosity

Suhu (° F / ° C)	Viskositas (cP)
25,7 / -3,5	8600
29,3 / -1,5	7300
34,6 / 1,4	6660
41,4 / 5,2	6040
57,8 / 14,3	4520
66,8 / 19,3	4100
72,3 / 22,4	4100
75,3 / 24,1	4080

Kegunaan gliserol adalah sebagai berikut :

• Gliserol digunakan untuk menguapkan agen pengasapan sebagai alternatif Propylene Glycol.
• Gliserol juga digunakan dalam de-icing/anti-icing cairan, seperti dalam vitrification sel-sel darah untuk penyimpanan dalam nitrogen cair.
• Bahan adiktif pupuk kompos.
• Untuk ekstraksi tingtur dan pelestarian dari minyak atsiri dan bahan kimia dari tumbuhan.
• Kosmetik bonding agent untuk make up, termasuk: eye shadow, lipstik, Lipgloss, lotion dan obat tetes mata.
• Gliserol dapat digunakan sebagai antibeku untuk tanaman, jika dicampur dengan air dalam solusi 10 persen. Hal ini diyakini akan efektif pada suhu di dekat -18 ° C.
• Gliserol juga dapat digunakan sebagai suplemen binaraga untuk meningkatkan oksida nitrat (NO).
• Gliserin, ketika dituangkan di kalium permanganat, akan membakar menjadikannya alat firelighting yang berguna.
• Gliserin digunakan sebagai anti-agen pengeringan di cat – cat air

Viskositas suatu zat cairan murni atau larutan merupakan indeks hambatan aliran cairan. Viskositas dapat diukur dengan mengukur laju aliran cairan, yang melalui tabung berbentuk silinder. Cara ini merupakan salah satu cara yang paling mudah dan dapat digunakan baik untuk cairan maupun gas (Bird, 1993).

Viskositas adalah indeks hambatan aliran cairan. Viskositas dapat diukur dengan mengukur laju aliran cairan yang melalui tabung berbentuk silinder. Viskositas ini juga disebut sebagai kekentalan  suatu zat. Jumlah volume cairan yang mengalir melalui pipa per satuan waktu.

ŋ          = viskositas cairan

V         = total volume cairan

t           = waktu yang dibutuhkan untuk mencair

p          = tekanan yang bekerja pada cairan

L          = panjang pipa (Bird, 1993).

Makin kental suatu cairan, makin besar gaya yang dibutuhkan untuk membuatnya mengalir pada kecepatan tertentu. Viskositas disperse koloid dipengaruhi oleh bentuk partikel dari fase disperse dengan viskositas rendah, sedang system disperse yang mengandung koloid-koloid linier viskositasnya lebih tinggi. Hubungan antara bentuk dan viskositas merupakan refleksi derajat solvasi dari partikel (Respati, 1981).

Bila viskositas gas meningkat dengan naiknya temperature, maka viskositas cairan justru akan menurun jika temperature dinaikkan. Fluiditas dari suatu cairan yang merupakan kelebihan dari viskositas akan meningkat dengan makin tingginya temperature (Bird,1993).

Cara-cara penentuan viskositas

a.       Pada viscometer Ostwald yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah tertentu cairan untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh berat cairan itu sendiri. Pada percobaan sebenarnya, sejumlah tertentu cairan (misalnya 10 cm³, bergantung pada ukuran viscometer) dipipet kedalam viscometer. Cairan kemudian dihisap melalui labu pengukur dari viscometer sampai permukaan cairan lebih tinggi daripada batas a. cairan kemudian dibiarkan turun ketika permukaan cairan turun melewati batas a, stopwatch mulai dinyalakan dan ketika cairan melewati tanda batas b, stopwatch dimatikan. Jadi waktu yang dibutuhkan cairan untuk melalui jarak antara a dan b dapat ditentukan. Tekanan ρ merupakan perbedaan antara kedua ujung pipa U dan besarnya disesuaikan sebanding dengan berat jenis cairan (Respati,1981).

Berdasarkan hokum Heagen Poisuille :

Dimana :        

p          = tekanan hidrostatis

r           = jari-jari kapiler

t           = waktu aliran zat cair sebanyak volume V dengan beda     tinggi h

L          = panjang kapiler

Untuk air :

Ŋair = πρr⁴ . ta . pa.g.h / ( 8VL)

Secara umum berlaku :

Ŋx = πρr⁴ . tx . px.g.h / ( 8VL)

Jika air digunakan sebagai pembanding, maka :

Ŋx / ŋair = tx.ρx / taρa (Respati,1981).

b.                  Viskometer hoppler

Pada viscometer ini yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah bola logam untuk melewati cairan setinggi tertentu. Suatu benda karena adanya gravitasi akan jatuh melalui medium yang berviskositas (seperti cairan misalnya), dengan kecepatan yang semakin besar sampai mencapai kecepatan maksimum. Kecepatan maksimum akan tercapai bila gravitasi sama dengan fictional resistance medium (Bird,1993).

            Berdasarkan hokum stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga : gaya gesek = gaya berat, gaya Archimedes :

6πrV_max = 4/3 r³ (ρ_bola – ρ_cair) g

Ŋ = { 2/g r³ (ρ_bola – ρ_cair) g } / V_max

V_max = h / t

Dimana : t = waktu jatuh bola pada ketinggian h

Dalam percobaan ini dipakai cara relative terhadap air, harganya :

Ŋa = [ 2/g r² (ρ_a – ρ₁) g ta ] / h

Ŋx = [ 2/g r² (ρ_x– ρ₁) g tx ] / h

Ŋx/ Ŋa = [ (ρ_x – ρ₁) g tx ] / [ (ρ_a – ρ₁) g ta ]

c.                  Viscometer cup dan Bob

Prinsip kerjanya sampel digeser dalam ruangan antara dinding luar

Bob dan dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengan-tengah. Kelemahan viscometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan gesekan yang tinggi disepanjang keliling bagian tube sehingga menyebabkan penemuan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini menyebebkan bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebut aliran sumbat (Bird, 1993).

d.             Viskometer Cone dan Plate

Cara pemakaiannya adalah sampek yang ditempatkan di tengah-tengah papan, kemudian dinaikkan hingga posisi dibawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan bermacam kecepatan dan sampelnya digeser didalam ruang sempit antara papan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar (Bird, 1993).

Konsep Viskositas

            Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Jadi molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek-menggesek ketika fluida fluida tersebut mengalir. Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul (Bird, 1993).

            Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air. Sebaliknya, fluida yang lebih kental biasanya lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu, dan lain-lain. Hal ini bias dibuktikan dengan menuangkan air dan minyak goreng diatas lanyai yang permukaannya miring. Pasti hasilnya air lebih cepat mengalir dari pada minya goreng atau oli. Tingkat kekentalan suatu fluida  juga bergantung pada suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut. Misalnya ketika ibu menggoreng ikan di dapur, minyak goreng yang awalnya kental, berubah menjadi lebih cair ketika dipanaskan. Sebaliknya, semakin tinggi suhu suatu zat gas, semakin kental zat gas tersebut.

            Perlu diketahui bahwa viskositas atau kekentalan hanya ada pada fluida rill (rill = nyata). Fluida rill / nyata adalah fluida yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, seperti air sirup, oli, asap knalpot, dan lainnya. Fluida rill berbeda dengan fluida ideal. Fluida ideal sebenarnya tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Fluida ideal hanya model yang digunakan untuk membantu kita dalam menganalisis aliran fluida (fluida ideal ini yang kita pakai dalam pokok bahasan fluida dinamis) (Bird, 1993).

            Satuan system internasional (SI) untuk koifisien viskositas adalah Ns/m² = Pa.S (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk SI koifisien viskositas adalah dyn.s/cm² = poise (p). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipolse (cp). 1 cp = 1/1000 p. satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Prancis, almarhum Jean Louis Marie Poiseuille.

            1 poise = 1 dyn. s/cm² = 10^-1 N.s/m²

            Fluida adalah gugusan molukel yang jarak pisahnya besar, dan kecil untuk zat cair. Jarak antar molukelnya itu besar jika dibandingkan dengan garis tengah molukel itu. Molekul-molekul itu tidak  terikat pada suatu kisi, melainkan saling bergerak bebas terhadap satu sama lain. Jadi kecepatan fluida atau massanya kecapatan volume tidak mempunyai makna yang tepat sebab jumlah molekul yang menempati volume tertentu terus menerus berubah (while, 1988).

            Fluida dapat digolongkan kedalam cairan atau gas. Perbedaan-perbedaan utama antara cair dan gas adalah :

a.       Cairan praktis tidak kompersible, sedangkan gas kompersible dan seringkali harus diperlakukan demikian.

b.      Cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaan-permukaan bebas, sedangkan agar dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (While, 1988).

Definisi Piknometer

            Piknometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur nilai massa jenis atau densitas dari fluida. Berbagai macam fluida yang diukur massa jenisnya, biasanya dalam praktikum yang diukur adalah massa jenis oli, minyak goreng, dan lain-lain. Piknometer itu terdiri dari 3 bagian, yaitu tutup pikno, lubang, gelas atau tabung ukur. Cara menghitung massa fluida yaitu dengan mengurangkan massa pikno berisi fluida dengan massa pikno kosong. Kemudian di dapat data massa dan volume fluida, sehingga tinggal menentukan nilai cho/massa jenis (ρ) fluida dengan persamaan = cho (ρ) = m/v (Whille, 1988).

Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas :

1.                  Suhu

Viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Jika suhu naik maka viskositas akan turun, dan begitu 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 partikrl 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 member beban yang berat pada cairan sehingga manaikkan viskositas.

4.         Tekanan

            Semakin tinggi tekanan maka semakin besar viskositas suatu cairan.