BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Dasar Teori

A. Pengertian viskositas

Viskositas adalah suatu gesekan didalam zat cair yang menyatakan

kekentalan dalam zat cair yang menyatakan kekentalan dalam suatu fluida. Atau

dengan kata lain, viskositas yaitu ukuran kekentalan suatu fluida yang menyatakan

besar atau kecilnya gesekan dalam suatu fluida. Semakin besar viskositas suatu

fluida, maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan semakin sulit benda

untuk bergerak dalam fluida tersebut (Erviaudina, 2011)

Gaya viskos melawan gerakan sebagian fluida aktif terhadap yang lain.

Di dalam zat cair, viskositas timbul sebagai akibat oleh gaya kohesi antar molekul

zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antar

molekul gas. Viskositas ataupun kebanyakan viskometer mengukur kecepatan dari

suatu cairan yang mengalir melalui pipa gelas (gelas kapiler), bila cairan itu

mengalir dengan cepat, maka viskositas cairan itu rerndah. Dan apabila cairan itu

mengalir dengan lambat, maka dikatakan cairan itu berviskositas tinggi.

Viskositas dapat diukur dengan mengukur laju aliran yang melalui tabung slinder

(Himka, 2009).

B. Jenis – jenis Viskositas

Menurut lewis (1987) terdapat 3 jenis viskositas, yaitu :

1) Viskositas dinamik

Yaitu rasio antara shear, stress, dan shear rate. Atau dapat dikatakan viskositas

dinamik yaitu perkalian antara viskositas kinematik dan densitas. Adapun

hubungan antar shear, stress dan shear rate dapat ditunjukkan dalam kurva

berikut ini :

Gambar 1.1 Kurva stress, shear, dan shear rate ( fachlurozzi, 2010)

Viskositas dinamis digunakan untuk menganalisa lapisan yang lebih tebal,

dibayangkan cairan terdiri dari lapisan-lapisan yang sangan tipis seperti

tumpukan kertas. Gaya F yang diaplikasikan kepada lapisan paling atas akan

diteruskan ke lapisan dibawahnya. Dan setiap lapisan akan meneruskan gaya

sebesar F. Akibatnya, gradien (du/dy) kecepatan disetiap lapisan (laminar)

adalah sama.

2) Viskositas Kinematik

Yaitu viskositas dinamik yang dibagi dengan densitasnya. Viskositas ini

dinyatakan dalam satuan stoke (st) pada cgs dan m/s2 pada SI. Adapun dengan

kata lain, viskositas kinematik yaitu ukuran bagi sifat hambatan cairan yang

mana viskositas ini dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Adapun hubungan gaya F

pada viskositas kinematik dapat ditunjukkan dalam kurva berikut :

Gambar 1.2 Hubungan gaya F pada viskositas (Fachlurozzi, 2010)

Jika anda Bayangkan lembaran plastik di atas cairan, kemudian anda tarik. Anda

akan merasakan hambatan atau perlawanan. Hambatan ini disebabkan adanya

viskositas pada cairan.

Viskositas kinematik adalah ukuran bagi sifat hambatan bagi cairan. Viskositas

kinematis ini dipengaruhi oleh gravitasi. Kembali, bayangkan dua jenis cairan

ditemoatkan dalam gelas yang berlubang kecil dibawahnya. Bentuk gelas adalah

identik. Ciiran lertama memerlukan 200 detik untuk mengalir sampai habis, cairan

kedua memerlukan 400 detik untuk mengalir sampai habis. Ini berarti cairan

kedua 2 dua kali lipat lebih viskos (Fachlurozi, 2010) .

C. Faktor – Faktor yang mempengaruhi Viskositas

Adapun faktor – faktor yang mempengaruhi viskositas suatu cairan yaitu :

- Besar Molekul dan Bentuk Molekul

Molekul molekul yang mudah berasosiasi mempunyai viskositas yang besar

seperti air dan etanol. Zat ini membentuk asosiasi molekul dengan ikatan

hidrogen. Semakin besar berat molekul, maka semakin besar viskositasnya.

- Suhu

Pada kebanyakan cairan viskositasnya turun dengan naiknya suhu. Menurut

teori, “lubang” terdapat kekosongan dalam cairan dan molekul bergerak secara

kontinu ke dalam kekosongan ini, sehingga kekosongan ini akan bergerak

keliling. Proses ini menyebabkan aliran, tetapi memerlukan energi karena

adanya energi pengaktifan yang harus mempunyai suatu molekul agar dapat

bergerak dalam kekosongan. Energi pengaktifan lebih mungkin terdapat pada

suhu yang lebih mungkin terdapat pada suhu yang lebih tinggi dengan

demikian cairan lebih mudah mengalir.

- Tekanan

Viskositas cairan naik dengan bertambahnya tekanan. Hal ini disebabkan

jumlah lubang yang berkurang, sehingga bagi molekul lebih sukar untuk

bergerak keliling satu terhadap yang lain.

- Konsentrasi

Untuk suatu larutan, viskositasnya bergantung pada konsentrasi atau

kepekatan larutan. Umumnya larutan yang konsentrasinya tinggi, viskositas

nya juga tinggi, sebaliknya latutan yang viskositasnya rendah, konsentrasinya

juga rendah (fessenden, 1997).

D. Jenis – Jenis Viskometer

Berbagai tipe viskometer dikelompokkan menurut prinsip kerjanya, yaitu :

- Viskometer Brookfield

Pada viscometer ini nilai viskositas didapatkan dengan mengukur gaya

puntir sebuah rotor silinder (spindle) yang dicelupkan ke dalam sample.

Viskometer Brookfield memungkinkan untuk mengukur viskositas dengan

menggunakan teknik dalam viscometry. Alat ukur kekentalan (yang juga dapat

disebut viscosimeters) dapat mengukur viskositas melalui kondisi aliran

berbagai bahan sampel yang diuji. Untuk dapat mengukur viskositas sampel

dalam viskometer Brookfield, bahan harus diam didalam wadah sementara

poros bergerak sambil direndam dalam cairan.

Viskometer Brookfield merupakan salah satu viscometer yang

menggunakan gasing atau kumparan yang dicelupkan kedalam zat uji dan

mengukur tahanan gerak dari bagian yang berputar. Tersedia kumparan yang

berbeda untuk rentang kekentalan tertentu, dan umumnya dilengkapi dengan

kecepatan rotasi. (FI IV,1038). Prinsip kerja dari viscometer Brookfield ini

adalah semakin kuat putaran semakin tinggi viskositasnya sehingga

hambatannya semakin besar (Himka, 2009).

Gambar 1.3 Viskometer Brookfield (Thomas, 2011)

- Viskometer Oswald

Pada viscometer ini yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh

sejumlah cairan tertentu untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang

disebabkan oleh berat cairan itu sendiri. Didalam percobaan diukur waktu aliran

untuk volume V (antara tanda a dan b) melalui pipa kapiler yang vertical.

Jumlah tekanan (P) dalam hukum Poiseuille adalah perbedaan tekanan antara

permukaan cairan, dan berbanding lurus dengan r (Himka, 2009).

Gambar 1.4 Viskometer Oswald (Besto, 2006)

- Viskometer Hoopler

Yang diukur adalah waktu yang diperlukan oleh sebuah bola untuk

melewati cairan pada jarak atau tinggi tertentu. Karena adanya gravitasi benda

yang jatuh melalui medium yang berviskositas dengan kecepatan yang semakin

besar sampai mencapai kecepatan maksimum. Kecepatan maksimum akan

dicapai jika gaya gravitasi (g) sama dengan gaya tahan medium (f) besarnya

gaya tahan (frictional resistance) untuk benda yang berbentuk bola stokes.

Prinsip kerja dari  viskometer bola jatuh adalah mengukur kecepatan bola

jatuh melalui cairan dalam tabung pada suhu tetap. Viskometer Hoeppler, seperti

terlihat pada Gambar, merupakan alat yang ada dalam perdagangan berdasarkan

pada prinsip ini.  Pada viskosimeter Hoeppler tabungnya dipasang miring

sehingga kecepatan bola jatuh akan berkurang sehingga pengukuran dapat

dilakukan lebih teliti. Viskometer ini cocok digunakan untuk cairan yang

mempunyai viskositas yang sukar diukur dengan viskosimeter kapiler.

Selanjutnya, viskositas cairan dapat dihitung dengan persamaan stokes yaitu:

η = 2r2(ρ1-ρ2)g/9v ..........................................................................................(1)

Keterangan :   

r =  jari-jari bola (cm)

ρ 1= bobot jenis bola

ρ 2= bobot jenis cairan

g = gaya gravitasi

v = kecepatan bola (cm.detik -1)

Persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi :

η= B(ρ1-ρ2)t ................................................................................................. (2)

Keterangan :   

B = konstanta bola

T = waktu tempuh boal jatuh(detik) (Delvina, 2011) .

Gambar 1.5 Viskometer Hoopler (lals lus, 2012)

- Viscometer cup and bob

Prinsip kerjanya sampel digeser dalam ruangan antaradinding luar dari bob

dan dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengah-tengah.

Kelemahan viscometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan

geseran yang tinggi di sepanjangkeliling bagian tube sehingga menyebabkan

penurunan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini menyebabkab bagian tengah

zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebut aliran sumbat (Himka, 2009).

Gambar 1.6 viskometer cup and bob (Medical analyst, 2012)

- Viscometer cone and plate

Cara pemakaiannya adalah sampel ditempatkan ditengah-tengah papan,

kemudian dinaikkan hingga posisi di bawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh

motor dengan bermacam kecepatan dan sampelnya digeser di dalam ruang

semitransparan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar (Himka, 2011).

Gambar 1.7 Viskometer Cone dan Plate (Medical analyst, 2012)

E. Hukum Stokes

Viskositas (kekentalan) fluida menyatakan besarnya gesekan yang dialami

oleh suatu fluida saat mengalir. Makin besar viskositas suatu fluida, makin sulit

suatu fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida

tersebut. Satuan SI untuk koefisien viskositas adalah Ns/m2 atau pascal sekon

(Pa.s). Pada pembahasan sebelumnya, Anda telah mengetahui bahwa fluida ideal

tidak memiliki viskositas. Dalam kenyataannya, fluida yang ada dalam kehidupan

sehari-hari adalah fluida sejati. Oleh karena itu, bahasan mengenai viskositas

hanya akan Anda temukan pada fluida sejati, yaitu fluida yang memiliki sifat-sifat

sebagai berikut.

a. Dapat dimampatkan (kompresibel);

b. Mengalami gesekan saat mengalir (memiliki viskositas);

c. Alirannya turbulen.

Zat cair dan gas memiliki viskositas, hanya saja zat cair lebih kental

(viscous) daripada gas. Dalam penggunaan sehari-hari, viskositas dikenal sebagai

ukuran ketahanan oli untuk mengalir dalam mesin kendaraan. Viskositas oli

didefinisikan dengan nomor SAE’S (Society of AutomotiveEngineer’s). Contoh

pada sebuah pelumas tertulis API SERVICE SJ SAE 20W – 50

Klasifikasi service minyak pelumas ini dikembangkan oleh API (American

Petroleum Institute) yang menunjukkan karakteristik service minyak pelumas dari

skala terendah (SA) sampai skala tertinggi (SJ) untuk mesin-mesin berbahan

bakar bensin.

Gambar 1.8 klasifikasi gaya dalam fluida (Adi, 2012)

Koefisien viskositas fluida η , didefinisikan sebagai perbandingan antara

tegangan luncur (F/A) dengan kecepatan perubahan regangan luncur ( v /l). Secara

matematis, persamaannya ditulis sebagai berikut.

η = (tegangan luncur / cepat perubahan tegangan luncur)

η = (F/A) / (v/l)

F = ηA(v/l) ...................................................................................... (3)

Nilai viskositas setiap fluida berbeda menurut jenis material tempat fluida

tersebut mengalir. Nilai viskositas beberapa fluida tertentu dapat Anda pelajari

pada Tabel berikut ini :

Tabel 1.1 Data viskositas fluida

Sumber : (Adi, 2012)

Keterangan: Poiseuille dan Poise adalah satuan viskositas dinamis, juga disebut

viskositas absolut. 1 Poiseulle (PI) = 10 Poise (P) = 1.000 cP. Benda yang

bergerak dalam fluida kental mengalami gaya gesek yang besarnya dinyatakan

dengan persamaan:

Ff = ηv(A/l) = kηv .......................................................................................(4)

Berdasarkan perhitungan laboratorium, pada tahun 1845, Sir George Stoker

menunjukkan bahwa untuk benda yang bentuk geometrisnya berupa bola nilai k =

6π R.

Ff = 6πrηRv ....................................................................................................(5)

Fluida Viskositas

Uap Air 100°C 0,125 cP

Air 99°C 0,2848 cP

Light Machine Oil 20°C 102 cP

Motor Oil SAE 10 50–100 cP, 65 cP

Motor Oil SAE 20 125 cP

Motor Oil SAE 30 150–200 cP

Sirop Cokelat pada 20°C 25.000 cP

Kecap pada 20°C 50.000 cP

Persamaan diatas dikenal sebagai Hukum Stokes. Gaya gesek dalam zat cair

tergantung pada koefisien viskositas, kecepatan relatif benda terhadap zat cair,

serta ukuran dan bentuk geometris benda. Jika sebuah benda berbentuk bola

(kelereng) jatuh bebas dalam suatu fluida kental, kecepatannya akan bertambah

karena pengaruh gravitasi Bumi hingga mencapai suatu kecepatan terbesar yang

tetap. Kecepatan terbesar yang tetap tersebut dinamakan kecepatan terminal (Adi,

2012). Pada saat kecepatan terminal tercapai, berlaku keadaan

ΣF = 0

Ff + FA = mg

Ff = mg – FA

6πrηRvT = ρb.Vb.g – ρf.Vf.g

vT = [g.Vb(ρb – ρf) ] / [6πrη] ........................................................................ (6)

Pada benda berbentuk bola, volumenya vb = 4/3 πr3 sehingga diperoleh persamaan

vT =(2r2g) (ρb – ρf) / (9η) ............................................................................... (7)

dengan:

vt = kecepatan terminal (m/s),

Ff = gaya gesek (N),

FA = gaya ke atas (N),

ρb = massa jenis bola (kg/m2), dan

ρf = massa jenis fluida (kg/m3).

F. Persamaan Arhenius dan Pengaruhnya Terhadap Suhu

Adapun persamaan arhenius dapat ditunjukkan dalam persamaan

berikut ini :

Gambar 1.9 Persamaan Arhenius (Jim clarck, 2004)

Adapun keterangan dari persamaan diatas adalah sebagai berikut :

- Temperatur atau suhu, T

Agar berlaku dalam persamaan, suhu harus diukur dalam kelvin.

- Konstanta atau tetapan gas, R

Tetapan ini datang dari persamaan, pV=nRT, yang berhubungan dengan

tekanan, volume dan suhu dalam jumlah tertentu dari mol gas.

- Energi aktivasi, EA

Ini merupakan energi minimum yang diperlukan bagi reaksi untuk

berlangsung. Agar berlaku dalam persamaan, kita harus mengubahnya menjadi

satuan Joule per mole, bukan kJ mol-1

- e

Harga dari satuan ini adalah 2.71828 … dan ini merupakan satuan matematis

seperti layaknya pi. Anda tidak perlu terlalu bingung untuk mengerti apa

artinya ini, untuk menghitung persamaan Arrhenius.

- Ekspresi, e-(EA

/RT)

Ekspresi ini menghitung fraksi dari molekul yang berada dalam keadaan gas

dimana memiliki energi yang sama atau lebih dari energi aktivasi pada suhu

tertentu.

- Faktor frekwensi, A

Kita juga dapat menyebut ini sebagai faktor pre-eksponensial atau faktor sterik.

A merupakan istilah yang meliputi faktor seperti frekwensi tumbukan dan

orentasinya. A sangat bervariasi bergantung pada suhu walau hanya sedikit. A

sering dianggap sebagai konstanta pada jarak perbedaan suhu yang kecil.

Persamaan Arrhenius didefinisikan sebagai:

........................................................................... (8)

Kita dapat mengalikan kedua sisinya dengan “ln” sehingga menjadi persamaan:

.......................................................... (9)

Kita dapat menggunakan persamaan Arrhenius untuk menggambarkan

pengaruh dari perubahaan suhu pada tetapan reaksi dan tentunya laju reaksi. Jika

misalkan tetapan laju berlipatganda, maka juga laju reaksi akan berlipat ganda.

Lihat kembali ke persamaan pada awal dari halaman ini bila Anda tidak yakin

dengan pernyataan ini.

Apa yang terjadi ketika kita menaikkan suhu sebesar 10oC ke, misalkan, dari

20oC ke 30oC (293 K ke 303 K)?

Faktor frekwensi, A, dalam persamaan ini kurang lebih konstan untuk

perubahaan suhu yang kecil. Kita perlu melihat bagaimana perubahaan e -(EA

/RT) –

energi dari fraksi molekul sama atau lebih dengan aktivasi energi.

Mari kita ansumsikan energi aktivasi 50 kJ mol-1. Dalam persamaan, kita

perlu menulisnya sebagai 50000 J mol-1. Harga dari konstanta gas, R, adalah 8.31

J K-1 mol-1.

Pada 20oC (293 K) harga dari fraksi adalah:

Dengan menaikkan suhu walau hanya sedikit (ke 303 K), peningkatannya:

Kita dapat melihat bahwa fraksi molekul-molekul mampu untuk bereaksi

dua kali lipat dengan peningkatan suhu sebesar 10oC. Hal ini menyebabkan laju

reaksi hamper menjadi berlipat ganda.