SIFAT FISIK ZAT CAIR YANG PERLU DIKETAHUI

March 25, 2022 Post a Comment

Sifat Fisik Zat Cair - Hidrolika adalah ilmu yang membahas mengenai zat cair. Untuk dapat mempelajari hidrolika kita perlu mengetahui sifat - sifat zat cair terlebih dahulu agar dapat memahami hidrolika dengan baik. Pada tulisan ini akan dibahas mengenai sifat fisik zat cair.

Sifat Fisik Zat Cair

Sifat fisik zat cair yang perlu diketahui diantaranya adalah:

Kompresibilitas

Sifat fisik zat cair yang pertama adalah kompresibilitas. Kompresibilitas adalah perubahan volume zat cair akibat perubahan tekanan yang dialami. Perubahan volume relatif per satuan tekanan disebut angka kompresibilitas (β_p) yang dinyatakan dengan rumus:

$\beta = -\tfrac{1}{w} \frac{dW}{dp}\left [ Kg/Cm^{2} \right ]$

Tanda (-) karena kenaikan tekanan mengakibatkan kerutnya volume. Kebalikan dari angka kompresibilitas dinamakan Modulus Elastisitas Volume (Volume Or Modulus Of Elasticity):

$K=\frac{1}{\beta _{p}}=\rho \frac{dp}{d\rho }\left [ Kg/Cm^{2} \right ]$

Harga (K) sedikit terpengaruh oleh (T) dan (p).

Contoh:

Diketahui air sebagai berikut:
t = 0^oC; p = 5Kg/Cm² → K = 18900Kg/Cm²t = 20^oC; p = 5Kg/Cm² → K = 22170Kg/Cm².
Diambil harga rata - rata K = 20000Kg/Cm².

Jadi bila tekanan dinaikan 1Kg/Cm². Volume berkurang hanya $\frac{1}{20000}$ volume mula.

Modulus (K) zat cair yang lain keadaannya juga sama dengan yang dimilki air. Secara umum semua zat cair dianggap inkompressible sehingga berat jenis (ϒ) tidak dipengaruhi oleh (p).

Koefisien Muai Termis

Koefisien muai termis adalah perubahan relatif volume untuk kenaikan suhu sebesar 1^oC.

$\beta _{t}=\frac{1}{W}\frac{dW}{dT}$

Contoh:

Air 0^oC dan 1Kg/Cm² → β_t = 14x10^-6.

100^oC dan 100Kg/Cm² → β_t = 700x10^-6.

Untuk bahan - bahan produk minyak bumi $\beta _{t}=\left [ \frac{1}{2}\div 2 \right ]xAir$ .

Tegangan Tarik

Tegangan tarik untuk zat cair diabaikan. Hal ini karena air putus hanya dengan tegangan sebesar 0,00036 (Kg/Cm²) dan ini akan semakin berkurang untuk temperatur yang semakin bertambah.

Jika selang waktu kerja beban-tarik sangat pendek, hambatan (tahanan=Resistance) berharga lebih besar. Dalam praktek, air dianggap tak mampu menahan tegangan tarik.

Permukaan zat cair mempunyai tegangan permukaan yang cenderung menggulung zat cair sehingga membentuk tetesan (bola) sehingga timbul tambahan tegangan di dalam zat cair tersebut. Akan tetapi tegangan tersebut hanya terlihat untuk volume yang sangat kecil.

Pada pipa kapiler menyebabkan zat cair naik lebih tinggi atau turun lebih rendah dari bidang datar (permukaan). Gejala tersebut dusebut kapileritas atau meniskus. Untuk pipa gelas dengan diameter = (d), kenaikan atau penurunannya dinyatakan dengan:

$h=\frac{k}{d}\left [ mm \right ]$

Dimana:

k = (mm²) untuk air = +30; H_g = -14; alkohol sebesar = +12.

Untuk fluida rill 3 sifat - sifat diatas pengaruhnya sangat kecil dan tak begitu penting yang paling berperan adalah sifat yang ke-4 yaitu Viskositas.

Viskositas

Viskositas adalah kemampuan menahan geseran atau tergeser terhadap lapisan - lapisannya. Gejala ini tidak terlalu sulit kita pahami pada hal - hal khusus dinyatakan dengan besarnya tegangan geser.

viskositas merupakan kebalikan dari fluiditas. Zat cair yang kental (Gltcerine & Lubricants) fluiditasnya rendah. Apabila cairan kental mengalir terhadap bidang padat maka terjadi perubahan percepatan trhadap arah gerak lurus) terhadap arah aliran yang disebabkan oleh viskositas.

Makin dekat lapisan dengan bidang padat, kecepatan lapisan (v) semakin kecil pada y = 0 → v = 0. Jadi tiap ;apisan bergeser terhadap yang lainnya sehingga timbul gaya gesek atau gaya geseran.

Menurut hipotesa Isaac Newton (1883), regangan geser (shear strain) tergantung pada jenis fluida dan juga jenis aliran. Untuk aliran laminer regangan tersebut sebanding dengan Velocity Gradient dalam arah tegak lurus aliran fluida:

$\tau = \mu \frac{dv}{dy}\left [ \frac{Kg}{m^{2}} \right ]$

Dimana:

µ = Viskositas Absolute (viskositas dinamik)

dv = tambahan kecepatan yang sesuai dengan tambahan jarak (dy)

Gradient kecepatan (dv/dy) menggambarkan perubahan kecepatan per-satuan panjang dalam arah (y) , sehingga juga menyatakan tegangan geser zat cair pada suatu titik.

Bila tegangan geser merata pada luas penampang (S) maka regangan geser total (= gaya gesek) yang bekerja yang bekerja pada luasan tersebut adalah:

$T=\mu \frac{dv}{dy}\cdot S$

Dari rumus di atas kita dapat menentukan dimensi viskositas absolute (µ) yakni:

$\mu =\frac{\tau }{dv/dy} \left [ \frac{kg\cdot dt}{m^{2}}\right ]$

Untuk sistem CGS satuan untuk viskositas = POISE

$1 POISE=1\left [ \frac{dyne\cdot sec}{Cm^{2}} \right ]$

Karena 1 Kg gaya = 981000 DYNE dan 1m² = 10⁴Cm² maka:

$1 POISE=\frac{1}{98,1}\left [ \frac{Kg\cdot dt}{m^{2}} \right ]$

Ciri lain dari viskositas adalah Viskositas Kinematik (v)

$v=\frac{\mu }{\rho } \left [\frac{m^{2}}{dt} \right ]$

Istilah kinematik di sini berarti bahwa tidak ada pengaruh dimensi gaya (Kg). Satuan dari viskositas kinematik adalah Stroke:

$1 Stroke=1\left [ \frac{Cm^{2}}{dt} \right ]$

Viskositas zat cair sangat dipengaruhi oleh temperatur, viskositas akan semakin berkurang jika temperatur semakin tinggi. Untuk zat gas sifatnya terbalik, viskositas semakin bertambah mengikuti temperatur. hal ini terjadi karena keadaan viskositas untuk gas berbeda terhadap zat cair.

Pada zat cair molekul - molekul lebih padat susunannua dibanding gas dan viskositas adalah akibat gaya tarik antar molekul (Kohesi). Gaya ini berkurang sehingga viskositas juga menurun bila temperatur meningkat, sedangkan pada gas viskositas itu terjadi karena pertukaran kalor yang semrawut antara molekul - molekulnya sehingga bertambah dengan naiknya temperatur. Viskositas dinamik (µ ) baik cairan maupun gas akibat tekanan, perubahannya amat sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Sifat ini ikut diperhitungkan hanya untuk tekanan yang berskala sangat tinggi. Ini berarti tegangan geser fluida dianggap tak terpengaruh oleh tekanan absolute.

Menurut persamaan $\tau = \mu \frac{dv}{dy}\left [ \frac{Kg}{m^{2}} \right ]$ tegangan geser hanya timbul pada fluida yang bergerak. Jadi, viskositas timbul hanya jika fluida sedang mengalir. Maksudnya adalah istilah viskositas hanya timbul apabila fluida sudah mengalir. Di dalam fluida yang dalam keadaan diam tidak ada tegangan geser yang terjadi.

Dapat kita simpulkan hukum tentang gesekan dalam fluida (akibat viskositas) keadaannya memang sangat berbeda dengan gesekan benda padat.

**Penguapan (Evaporability)**

Penguapan merupakan sifat yang dimiliki oleh semua jenis cairan. Intensitasnya berbeda - beda untuk setiap jenis cairan dan tergantung kondisinya.

Salah satu istilah yang menjadi pertanda sifat ini adalah Titik Didih zat cair pada tekanan atmosfir normal. Makin tinggi titik didih makin berkurang intensitas penguapan (sedikit yang menguap). Pada sistem hidrolik pesawat udara seringkali kita harus berfokus kepada masalah penguapan dan bahkan titik didih zat cair dalam saluran tertutup pada berbagai tekanan dan temperatur. Oleh sebab itu istilah yang lebih mengena untuk sifat penguapan ini adalah Tekanan Uap Jenuh (P_t) yang dipengaruhi besarnya temperatur. Makin tinggi tekanan jenuh untuk suatu temperatur, berarti makin besar laju penguapannya (Rate Of Evaporation)

Tekanan jenuh dari berbagai jenis zat cair bertambah besar mengikuti temperatur, tetapi pertambahannya tidak merata.

Untuk cairan murni P_t=f(t)

Untuk campuran seperti bensin misalnya, tekanan jenuh (P_t) dipengaruhi tidak hanya oleh sifat - sifat fisika-kimia dan temperatur tapi juga oleh faktor lain seperti volume relatif fase cair dan fase uap yang sedang terbentuk.

Tekanan uap makin bertambah jika porsi yang ditempati fase cair semakin banyak seperti gambar di atas yang menyatakan hubungan tersebut untuk zat cair bensin. Di sini terlihat pengaruh tekanan uap terhadap rasio $\frac{cairan}{uap}$ untuk tiga daerah temperatur. Sifat - sifat fisika berbagai jenis cairan yang digunakan pada sistem roket dan pesawat udara dapat di lihat pada tabel di bawah ini: