I. Latar belakang
Kekentalan adalah sifat dari suatu zat cair (fluida) yang disebabkan adanya gesekan antara molekul-molekul zat cair dengan gaya kohesi pada zat cair tersebut. Gesekan-gesekan inilah yang menghambat aliran zat cair. Besarnya kekentalan zat cair (viskositas) dinyatakan dengan suatu bilangan yang menentukan kekentalan suatu zat cair. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk 'laju perubahan bentuk sudut fluida yang tertentu' maka tegangan geser berbanding lurus dengan viskositas. Viskositas adalah gesekan internal, gaya viskos berperan dalam melawan gerakan fluida yang relatif terhadap yang lain. Viskositas adalah alasan diperlukannya usaha untuk mendayung perahu melalui air yang tenang, tetapi juga merupakan suatu alasan mengapa dayung bisa bekerja. Efek viskos merupakan hasil yang penting dalam pipa aliran darah. Pelemasan logam dalam mesin fluida viskos cenderung melekat pada permukaan zat yang bersentuhan dengannya.
Viskositas memiliki alat ukur yang disebut viskometer yang berfungsi untuk mengukur koefisien gliserin, oli, atau minyak. Viskositas banyak terdapat dalam kehidupan sehari-hari seperti sirup, minyak goreng, dan oli. Prinsip viskositas yang berguna dalam kehidupan sehari-hari contohnya adalah pada sirup yang kental. Dalam masalah keteknikan pengaruh aliran viskositas pada adalah kecil dan dengan demikian dapat diabaikan. Cairan ini kemudian dinyatakan tidak kental (inuicid) atau seringkali disebut sebagai cairan yang ideal sehingga nilainya viskositas atau kekentalannya dapat diambil sebesar nol. Tetapi jika istilah aliran viskos dipakai, ini artinya nilai dari viskositas tidak dapat diabaikan (Martoharsono, 2006).
Peristiwa-peristiwa kekentalan suatu fluida dapat dianalogikan seperti tegangan dan regangan pada benda padat. Kenyataannya, setiap fluida baik gas maupun zat cair mempunyai sifat kekentalan karena partikel di dalamnya saling menumbuk. Secara kuantitatif, kekentalan suatu zat cair atau fluida cair dapat diukur menggunakan alat yang bernama viskometer. Untuk lebih memahami peristiwa viskositas dari fluida cair tersebut, maka dilakukan praktikum tentang viskositas ini.
II. Tujuan Percobaan
- Untuk mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas.
- Untuk menentukan viskositas zat cair dengan menggunakan Hukum Stokes.
III. Dasar Teori
Fluida yang tidak encer (tidak ideal) atau fluida yang mempunyai aliran yang viscous menyebabkan gesekan antar lapisan-lapisan fluida tersebut, sering disebut sebagai aliran laminer. Menurut Bernoulli, untuk cairan yang ideal pada pipa-pipa, diharapkan tinggi permukaan airnya adalah sama. Ternyata tidak demikian hal yang terjadi pada peristiwa viskositas ini. Permukaan air pada pipa menurun pada arah masuknya air. Perbedaan tinggi permukaan ini disebabkan oleh gaya gesek internal yang terjadi antar lapisan-lapisan cairan yang menyebabkan kehilangan atau berkurangnya energi pada fluida cair (Ganijanti, 2014).
Beberapa bahan padat apabila dipanaskan maka menjadi viscous terlebih dahulu sebelum menjadi cair, yaitu menjadi lunak dan dapat mengalir pelan-pelan (misalnya aspal, lilin, dan lain-lain). Pengaliran bahan yang viscous ini tidak seleluasa pengaliran cairan, jadi seolah-olah aliran itu terganggu oleh semacam gesekan internal, yaitu gesekan antara bagian-bagiannya satu sama lain. Begitu juga secara umum yang terjadi dengan gas atau fluida gas. Hasil pengamatan dan percobaan menunjukkan bahwa semakin kental cairan itu maka akan semakin sukar mengalir. Sehingga pada kasus itu nilai koefisien viskositasnya η semakin membesar, koefisien viskositas ini sering disebut juga sebagai angka kental. Namun demikian hendaknya dimengerti bahwa angka kental ini bukan satu-satunya faktor ukuran kekentalan suatu zat cair, salah satu dari faktor lainnya adalah konsentrasi (Soedojo, 1986).
Kekentalan disebabkan oleh gaya kohesi antara molekul-molekulnya. Dalam gas, berasal dari tumbukan-tumbukan antara molekul-molekul tersebut. Fluida yang berbeda mempunyai kekentalan yang besarnya berbeda juga, contohnya adalah sirup yang lebih kental daripada air, lemak lebih kental daripada minyak mesin, cairan-cairan secara umum atau kebanyakan yang lebih kental daripada gas. Kekentalan fluida yang berbeda dapat dinyatakan secara kuantitatif dengan koefisien kekentalan η (huruf yunani 'eta'). Jika fluida tidak mempunyai kekentalan, perbedaan tekanan antara kedua ujung tabung diperlukan untuk aliran mantap seperti fluida riil (nyata), misalnya air atau minyak di dalam pipa, atau darah dalam sistem sirkulasi tubuh manusia, atau bila tabung diposisikan mendatar (Giancoli, 1997).
Telaahan tentang pengukuran fluida ditutup dengan pembahasan mengenai metode-metode penentuan viskositas. Viskositas dapat diukur dengan beberapa cara: (Streeter, 1988)
- Berdasarkan Hukum Newton tentang viskositas.
- Berdasarkan persamaan Hagen–Poiseuille.
- Dengan metode-metode yang memerlukan kalibrasi dengan fluida cair yang viskositasnya diketahui.
Apabila suatu benda berbentuk bola jatuh bebas dalam suatu fluida kental maka kecepatannya akan bertambah, yang disebabkan adanya pengaruh gravitasi bumi sehingga bola mencapai suatu kecepatan maksimal yang tetap, yang dinamakan kecepatan terminal, dengan persamaan:
| (1) |
|---|
dimana g adalah gravitasi bumi 9,8 m/s2, ρb adalah massa jenis benda kg/m3, ρf adalah massa jenis fluida kg/m3, r adalah jari-jari benda m, dan η adalah viskositas Pa · s (Atkins, 1996).
IV. Metodologi Percobaan
4.1 Alat dan Bahan
- Tabung zat cair dengan isinya berfungsi untuk mengukur nilai viskositas (1 buah).
- Stopwatch digital berfungsi untuk mengukur waktu tempuh dalam fluida (1 buah).
- Stopwatch manual berfungsi untuk mengukur waktu tempuh dalam fluida (1 buah).
- Mikrometer sekrup berfungsi untuk mengukur diameter bola (1 buah).
- Neraca ohaus berfungsi untuk mengukur massa bola (1 buah).
- Corong berfungsi untuk mempermudah saat memasukkan zat fluida (1 buah).
- Pinset berfungsi untuk mengambil bola (1 buah).
- Bola kecil berfungsi sebagai objek percobaan (1 buah).
- Bola besar berfungsi sebagai objek percobaan (1 buah).
- Fluida oli berfungsi sebagai objek percobaan (1 buah).
4.2 Gambar Alat
4.3 Langkah Kerja
4.4 Metode Grafik
V. Data dan Analisa
5.1 Data Percobaan
5.2 Analisa Data
Pada percobaan tentang viskositas kali ini didapatkan suatu konsep bahwa apabila bola dimasukkan ke dalam viskometer yang berisi fluida (minyak dan oli), bola akan bergerak ke bawah dengan mengalami perlambatan saat viskometer dibalik. Dalam hal ini bola tersebut akan mengalami beberapa gaya, yaitu gaya gravitasi, gaya archimedes (gaya tekan ke atas), dan gaya gesek fluida. Percobaan ini dikhususkan membahas tentang gaya gesek pada fluida yang berkaitan dengan viskositas (koefisien kekentalan) zat cair.
Dalam percobaan ini didapatkan data massa, diameter, volume pada bola kecil dan bola besar yang mana bola-bola ini adalah bagian dari bahan uji coba. Selain itu diperoleh juga data massa dan volume fluida cair, yang mana pada percobaan ini digunakan fluida oli dan minyak. Setelah didapatkan data-data dari pengukuran di atas lalu masing-masing komponen dihitung massa jenisnya. Menurut dasar teori, apabila massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida maka benda akan dipercepat sampai kecepatan maksimum. Pada percobaan ini digunakan 2 buah bola yaitu bola besar dan bola kecil dengan menggunakan fluida oli dan minyak. Tujuan digunakannya bahan yang berbeda tersebut adalah agar dapat membedakan kecepatan waktu tempuh bola, untuk mengetahui faktor yang menyebabkan bola memiliki kecepatan yang berbeda dan agar dapat mengetahui viskositas (koefisien kekentalan) dari masing-masing zat fluida. Berikut dibawah ini disajikan 2 buah grafik yang menunjukkan hubungan jarak dan waktu antara bola kecil pada fluida oli dan bola besar pada fluida minyak:
Dari grafik di atas didapat variasi jarak (d) dan variabel waktu (t). Variabel jarak (d) merupakan variabel bebas karena dapat divariasi atau dapat diubah-ubah. Sedangkan variabel waktu (t) adalah variabel terikat karena besarnya waktu dipengaruhi oleh variabel terikat. Selain itu, diameter bola juga berpengaruh terhadap waktu yang diperlukan untuk mencapai jarak tertentu. Semakin besar diameter bola, semakin lama waktu yang dibutuhkan dan semakin kecil diameter bola, semakin cepat waktunya.
Menurut literatur dari Mekanika Fluida karya dari Victor L Streeter nilai dari viskositas oli adalah sebesar 0,5800 Pa · s dan besarnya dari koefisien viskositas minyak sebesar 1,5 Pa · s. Sedangkan dalam percobaan didapatkan hasil dari koefisien viskositas oli sebesar η = (0,920 ± 0,053) kg/m3 dan koefisien minyak sebesar η = (6,690 ± 0,084) kg/m3. Sedangkan massa jenis dari bola besar adalah ρb(besar) = (7550,0 ± 121,7) kg/m3, bola kecil sebesar ρb(kecil) = (7913,0 ± 221,9) kg/m3. Perbedaan-perbedaan koefisien viskositas dengan literatur tersebut disebabkan karena kesalahan-kesalahan dalam percobaan, misalnya alat ukur yang digunakan sudah terlalu lama (kualitas berkurang) sehingga menyebabkan pengukuran menjadi kurang akurat, kesalahan menghitung, penggunaan 2 stopwatch dengan ketelitian yang berbeda, pengukuran massa bola, saat membalik viskometer ada yang cepat dan ada yang lambat yang menyebabkan waktu menjadi kurang akurat, dan lain-lain.
Viskositas atau kekentalan zat cair dipengaruhi juga oleh massa jenis dari fluida yang digunakan itu sendiri. Untuk melihat hubungan antara massa jenis fluida dengan koefisien viskositas η dapat dilihat dari persamaan berikut:
| (2) |
|---|
dimana v adalah kecepatan relatif bola terhadap fluida dengan gaya gravitasi sebesar 9,8 m/s2. Dari persamaan (2) dapat dilihat bahwa koefisien viskositas η berbanding lurus dengan massa jenis. Hal tersebut dapat kita simpulkan bahwa semakin tinggi nilai dari massa jenis fluida semakin tinggi juga nilai koefisien viskositasnya η. Maka dari itu perlu dicari juga massa jenis dari fluida yang digunakan. Dari percobaan ini didapatkan massa jenis dari fluida oli sebesar ρoli = (739,0 ± 11,2) kg/m3 dan massa jenis fluida minyak sebesar ρminyak = (737,0 ± 78,0) kg/m3. Semua nilai hasil pengukuran ini mempunyai ketelitian yang lebih besar dari 98%, hal ini menunjukkan bahwa data tersebut masih terbilang cukup akurat.
Pada percobaan kali ini tidak menggunakan bola kaca tetapi menggunakan bola yang terbuat dari stainless steel. Hal ini disebabkan karena adanya gaya kohesi dan adhesi. Gaya kohesi adalah gaya tarik-menarik antara molekul-molekul yang sejenis. Adhesi adalah gaya tarik-menarik antara molekul-molekul yang tidak sejenis. Peristiwa dari kohesi dan adhesi ini dapat menjelaskan hal tersebut. Karena kohesi fluida oli atau minyak lebih besar daripada adhesi fluida oli dengan permukaan kaca pada bola maka dalam hal ini fluida oli atau minyak tidak membasahi permukaan kaca pada bola melainkan melebar. Sehingga hal ini dapat mengacaukan hubungan dari kecepatan bola dan kekentalan fluida maka dari itu pada percobaan kali ini tidak menggunakan bola kaca. Seandainya kita menggunakan bola kaca pada percobaan ini maka bola kaca tersebut akan mengalami perlambatan yang sangat besar.
Dalam percobaan ini dapat disimpulkan bahwa bola stainless steel lebih cepat jatuh jika dimasukkan ke dalam fluida minyak dibandingkan oli karena hasil dari koefisien viskositasnya. Sebab v berbanding terbalik dengan η (koefisien viskositasnya).
VI. Kesimpulan
- Suatu benda yang bergerak didalam suatu fluida akan mendapat beberapa pengaruh gaya, antara lain gaya archimedes, gaya gesek fluida itu sendiri atau biasa disebut gaya stokes, dan gaya gravitasi yang menyebabkan timbulnya gaya berat dalam fluida. Gaya stokes akan menghambat gerakan benda dalam viskometer sehingga benda (bola) akan bergerak lambat sampai jarak tertentu. Gaya-gaya yang bekerja atau berpengaruh pada viskositas, suatu saat gaya tersebut akan mengalami keseimbangan yang menyebabkan gerakan jatuh bola dipercepat kemudian diperlambat sampai benda (bola) tersebut bergerak dengan kecepatan konstan atau mencapai kecepatan terminal.
- Dalam percobaan kali ini didapatkan massa jenis dan koefisien viskositas yang berbeda pada literatur. Perhitungan yang akurat dan ketelitian adalah faktor yang dapat mengurangi nilai ketidakpastian, dalam hal ini adalah massa jenis dan koefisien viskositas. Berikut adalah nilainya:
- Massa jenis bola besar:
ρb(besar) = (7550,0 ± 121,7) kg/m3 - Massa jenis bola kecil:
ρb(kecil) = (7913,0 ± 221,9) kg/m3 - Massa jenis fluida oli:
ρoli = (739,0 ± 11,2) kg/m3 - Koefisien viskositas bola kecil pada fluida oli:
η = (0,920 ± 0,053) kg/m3 - Koefisien viskositas bola besar pada fluida minyak:
η = (6,690 ± 0,084) kg/m3
VII. Daftar Pustaka
- Atkins, P.W., 1966. Kimia Fisika Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
- Ganijanti, A., 2014. Seri Fisika Dasar Mekanika. Jakarta: Salemba Teknika.
- Giancoli, D.C., 1997. Fisika Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
- Martoharsono, S., 2006. Biokimia 1. Yogyakarta: UGM Press.
- Soedojo, P., 1986. Fisika Mekanika dan Termodinamika. Yogyakarta: UGM Press.
- Streeter, V.L., 1988. Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga.
