3/12/2013

1

Rheologi Rini Yulianingsih

Klasifikasi Rheologi

Sifat-sifat rheologi didefinisikan sebagai sifat mekanik yang

menghasilkan deformasi dan aliran bahan yang

disebabkan karena adanya stress

3/12/2013

2

ALIRAN BAHAN

Hukum Newton - Viskositas

Fluid Model

BrookFIELD

Stationary Plate

Moveable Plate A=Area cm2 A=Area cm2

Y =

Distance

F = Force V=Velocity

3/12/2013

3

• Data eksperimen gaya yang diperlukan untuk

mempertahankan gerakan plat bagian bawah per unit luasan

proporsional dengan gradien kecepatan, dan konstanta

proposionalitas adalah viskositas fluida.

Bentuk mikroskopis persamaan ini hukum newton viskositas

τyz = shear stress (N/m2),

μ = viscosity (Pa·s),

γ˙yz = shear rate (1/s).

z menunjukkan arah gaya,

y menyajikan arah normal terhadap permukaan dimana gaya bekerja

3/12/2013

4

APLIKASI

BrookFIELD

Consider…

Shear Rate adalah gradien kecepatan (profil aliran kecepatan dalam pipa, wadah pengadukan atau permukaan yang menurun)

Shear Stress pada fluida dihasilkan dari gaya yang di aplikasikan pada sistem (input torsi pompa atau mixer, gaya scraping pisau, atau gaya pengeluaran gravitasi pada tangki penyimpanan)

Contoh: Dua plat paralel terpisah 0.1 m. Plat bawah diam sementara

bagian atas bergerak dengan kecepatan V. Fluida diantara

plat adalah air yang memiliki viskositas 1 cp.

a. Hitung fluks momentum yang diperlukan untuk

mempertahankan gerakan plat atas pada kecepatan 0.30

m/s

b. Jika air diganti dengan fluida dengan viskositas 100 cp,

fluks momentum tetap konstan, temukan kecepatan baru

plat atas

1 cp = 1 x 10-3 Pa.s

3/12/2013

5

Penyelesaian a. w = 1 cp = 1 x 10-3 Pa.s

Hukum newton viskositas digunakan untuk menentukan shear

stress

Viskositas • Definisi: Ketahanan fluida untuk mengalir

• Satuan: Pa.s atau poise

• Bervariasi terhadap suhu. Perbedaan pengaruh suhu

terhadap viskositas berhubungan dengan perbedaan

struktur molekul

Difusivitas Momentum / Viskositas Kinematik

• Analogi : difusivitas thermal, difusivitas massa

• Satuan : m2/s atau stoke (cm2/s)

• Merupakan rasio viskositas terhadap densitas fluida

= /

3/12/2013

6

Fluida Viscous

Newtonian

Shear-Thickening

Shear-Thinning

Bingham

1. Fluida Newtonian • Memenuhi hukum newton fluida

• Slope antara shear stress vs shear rate (viskositas)

konstan

2. Fluida Non-Newtonian

• Tidak memenuhi hukum newton fluida

• Fluida shear thinning atau shear thickening mengikuti

persamaan Ostwald-de Waele

k : koefisien konsistensi (Pa.sn)

n : indeks periaku aliran

3/12/2013

7

• Untuk fluida shear thinning (pseudoplastik) n < 1

• Untuk fluida shear thickening (dilatant) n > 1

• Fluida newtonian n = 1, k =

• Slope shear stress dan shear rate tidak konstan pada

fluida non newtonian

• apparent viscosity () atau kekonsistensian digunakan

untuk fluida non-newtonian

3/12/2013

8

Fluida Shear Thinning (Pseudoplastik) • Peningkatan shear rate gesekan antar lapisan menurun

• Geseran menyebabkan pelibatan, molekul rantai panjang

menjadi lurus dan selaras mengikuti aliran viskositas

menurun.

• Contoh: Cat dan Tinta

• Contoh produk : pisang murni, konsentrat jus buah

• Krokida, et,al (2001) : koefisien konsistensi k meningkat

secara eksponensial sementara indeks perilaku aliran (n)

sedikit menurun terhadap konsentrasi (n 0.5 untuk

produk pulpy, n 1 untuk jus jernih)

3/12/2013

9

Fluida Shear-Thickening • Shear rate meningkat gesekan internal dan viskositas

apparent meningkat

• Analogi:

– Orang yang jatuh dalam rawa akan mencoba untuk melepaskan diri

sesegera mungkin

– Bergerak dalam kepanikan geseran tiba-tiba

– Semakin mencoba untuk melepaskan diri gaya yg diperlukan

semakin besar

• Berjalan dalam pasir basah di pantai

• Jika suspensi air-pasir ada untuk beberapa waktu fraksi

kosong yg ditempati air minimal

• Beberapa geseran akan menggangu di dekat bagian yg

padat dan fraksi kosong meningkat.

• Air tidak akan cukup mengisi ruang antara butiran pasir

dan pelumasan yang kurang akan menyebabkan

peningkatan ketahanan untuk mengalir

• Contoh: Pati yang belum dimodifikasi (jagung, gandum,

beras, kentang, dll)

3/12/2013

10

• VIDEO

3. Fluida Plastik 3.a. Fluida plastik Bingham

• Fluida tetap rigid ketika shear stress sedikit lebih kecil dari

yield stress (0), tetapi mengalir seperti fluida newtonian

ketika shear stress melebihi 0

• Contoh: Pasta gigi, saos tomat, mayonnaise dan kecap

3/12/2013

11

3.b. Fluida Plastik Non-Bingham

• Sama dengan bingham, namun shear stress vs shear rate

tidak linier (bisa shear thinning atau shear thickening)

yz = 0 + k(˙yz)n Model Herschel-Bulkley

Contoh: Pasta daging ikan halus, pasta kismis

(yz)0.5 = (0)

0.5 + k(˙yz)0.5 Model Casson

Contoh: Lelehan susu coklat

Ketergantungan waktu

Ketika beberapa cairan dikenakan tegangan geser konstan,

cairan tersebut menjadi lebih tipis (atau tebal) seiring

dengan berjalannya waktu

3/12/2013

12

• Cairan yang menunjukkan penurunan tegangan geser dan

viskositas apparent terhadap waktu pada tegangan geser

tetap disebut cairan thixotropic (geseran menipis terhadap

waktu).

• Fenomena ini mungkin disebabkan oleh kerusakan pada

struktur bahan sebagaimana geseran berlangsung terus.

• Contoh: Gelatin, putih telur

• Perilaku Thixotropic mungkin reversibel, sebagian

reversibel, atau irreversible ketika geseran yang

diaplikasikan dipindahkan (fluida dalam kondisi istirahat).

Thixotropy ireversibel disebut rheomalaxis atau

rheodestruction

3/12/2013

13

• Perilaku Thixotropic produk bisa dipelajari dengan

meningkatkan shear stress atau shear rate diikuti oleh

penurunan. Jika shear stress diukur sebagai fungsi dari

shear rate, sebagaimana nilai shear rate awalnya

meningkat dan kemudian menurun, sebuah loop histeresis

akan diamati dalam kurva shear stress terhadap shear rate

• Dalam fluida rheopectic (shear thickening terhadap waktu),

shear stress dan viskositas apparent meningkatkan

viskositas terhadap waktu, yaitu, struktur dibangun

sebagaimana geseran berlangsung

Pasta pati – gula - susu

Jika di proses pada suhu 85 and 95◦C thixotropic

Jika diproses pada suhu 75◦C rheopectic

3/12/2013

14

Thank You