KARAKTERISTIK FISIK DAN TERMIK

Tujuan Instruksional Khusus (TIK) pada pertemuan ini adalah :

Mampu menjelaskan hubungan antara karakteristik fisik dan termik bahan hasil pertanian dengan disain alat dan proses pengolahannya

Karakteristik Fisik :

Bentuk

Ukuran

Volume

Luas Permukaan

Sudut Curah

Densitas

Porositas

Warna

Penampakan

Karakteristik Mekanis

Kekerasan

Sifat Reologi

Kekuatan Kompresif

Resistensi Impak

Shear

Karakteristik Thermal

Panas spesifik

Panas Laten

Konduktivitas Panas

Difusivitas Panas

KARAKTERISTIK FISIK

1. Bentuk dan Ukuran

Tidak dapat dipisahkan

Penting untuk merancang alat seperti grading dan sortasi

Dibedakan atas 2 kasus :

1. Komoditi yang bentuk dan ukurannya dapat dibedakan

dengan mata telanjang

2. Produk berbentuk bubuk : kopi, garam, susu bubuk dll.

Mempengaruhi :

- penerimaan konsumen

- pengemasan

- distribusi

- proses pengolahan

Kriteria untuk menjelaskan bentuk dan ukuran :

a. Menggunakan Tabel Standar (Standard Chart)

Bentuk Deskripsi

Bulat Mendekati bola

Oblat Pipih pada ujung tangkai dan ujung tanpa tangkai

Oblong Diameter vertikal > diameter horizontal

Konik Mengecil ke arah ujung

Ovat Bentuk telur, agak lebar di ujung tangkai

Blik Aksis yang menghubungkan tangkai dan apeks ramping

Abovat Ovat terbalik

Eliptikal Mendekati elipsoid

Trunkat Kedua ujung datar

Unekual Setengah bagian > dari setengah bagian lainnya

Ribbed Pada potongan melintang sisinya kurang lebih angular

Regular Potongan melintang horizontal mendekati lingkaran

Irregular Potongan melintang horizontal menjauhi lingkaran

Potongan Membujur

Oblong Oblat

Unequal

Trunkat Bulat

Konik

Blik

Potongan Melintang

Regular

Irregular

Ribbed

b. Kebulatan (sphericity) dan kebundaran (roundness)

o adalah ukuran ketajaman pojok (sudut) suatu benda padat

AP luas proyeksi objek terkecil

o Roundness = =

AC luas proyeksi objek terbesar

Akar pangkat tiga dari hasik kali ketiga sumbu

o Sphericity =

Sumbu Terpanjang

Defenisi kebulatan dan kebundaran

kebulatan=Fm/Fc kebulatan rerata = ∑r/nR kebundaran=di/dc

Ukuran menyatakan besaran materi atau isi pada suatu komoditas yang dimanifestasikan dalam bentuk besaran :

- berat - volume

- luas - panjang

- lebar - diameter

- tebal

Ukuran produk tepung dinyatakan dengan mesh (saringan), yaitu jumlah lubang persatuan luas (n/in2) atau N/cm2

Penentuan ukuran buah dan sayuran : pengukuran panjang/berat atau volume.

2. Volume dan Densitas

Aplikasi dalam :

pengeringan dan penyimpanan

rancangan silo dan ruang penyimpanan

mesin kompresi mekanikal

pemisahan bahan-bahan asing

penentuan kemurnian benih

separasi dan grading

evaluasi kematangan

tekstur dan kelunakan buah

estimasi ruang udara di dalam jaringan tanaman

evaluasi kualitas produk seperti kacang kapri, jagung manis dan kentang (densitas meningkat jika matang)

Densitas Kamba dan Densitas Nyata

Densitas Kamba = perbandingan bobot bahan dengan volume yang ditempatinya, termasuk ruang kosong di antara butiran makanan

Pengukuran :

- Menimbang bahan yang menempati wadah literan sesuai dengan volume

Metode penentuan volume dan densitas :

-Gelas ukur

-Piknometer

-densitimeter

Densitas Nyata = perbandingan bobot bahan dengan volume yang hanya ditempati oleh butiran bahan tidak termasuk ruang kosong.

Pengukuran 1 :

• Gelas ukur diisi toluena (C6H5CH3) sampai volume tertentu

• Kenaikan volume toluena akibat sejumlah bobot butiran = densitas nyata

Pengukuran 2 :

• Dengan piknometer

• Timbang piknometer kosong (a)

• Timbang piknometer + toluena (b)

• Timbang piknometer + butiran bahan yang diketahui bobotnya (X gram) + toluena sampai penuh (c)

• Timbang piknometer + air sampai penuh (d)

Densitas nyata dihitung dengan rumus :

densitas toluena x bobot biji toluena x X

D = =

bobot toluena yang diusir biji (b+X) - c

Densitas toluena :

b - a

toluena = g/cm2

d - a

Densitas kamba bervariasi menurut kadar air

berat air yang dipindahkan (lb)

Volume (in3) =

densitas air (lb/in3)

Gambar 7. Pengukuran volume

3. Sudut Curah

• Penting untuk disain wadah, fasilitas penyimpanan, dan alat pembantu lain dalam pengolahan biji-bijian

• adalah sudut yang terbentuk antara bidang datar dengan sisi miring curahan bila sejumlah biji dituangkan dengan cepat di atas bidang datar.

d

Tg = t/0.5 d = 2t/d

4. Luas Permukaan Luas permukaan daun menentukan :

kapasitas fotosintesis

Laju pertumbuhan

Hubungan tanaman-tanah-air

Luas permukaan buah dan biji penting dalam :

Pengukuran respirasi

Penentuan warna

Pemantulan cahaya

Fenomena transfer panas

Luas permukaan bahan juga menentukan image-sensor untuk keperluan otomatisasi dan robotisasi mesin-mesin pertanian.

4. Luas Permukaan.................

a. Luas Permukaan Daun

• Pencetakan kontak permukaan di atas kertas yang peka terhadap cahaya

• Luas permukaan diukur dengan planimeter

b. Luas Permukaan Buah

• Misal apel

Apel dikupas dalam bentuk strip

Gunakan planimeter untuk mengukur strip

Contoh luas permukaan beberapa buah :

-Plum : 5.4 – 7.0 in2 Apel : 17.2 – 25.2 in2 -Pir : 22.2 – 23.0 in2

5. Warna dan Penampakan

Menentukan mutu fisik

Pada beras dinyatakan dengan derajat sosoh atau derajat keputihan

Pada umbi yang penting warna bagian dalam umbi

Kelainan warna menunjukkan adanya kerusakan atau penyimpangan mutu

Menunjukkan tingkat kematangan buah

Pedoman dalam proses pengolahan

Ditentukan oleh :

1.Adanya sinar sebagai sumber penerangan

2.Sifat absorbsi dan refleksi spektral benda

3.Kondisi lingkungan benda

4.Kondisi subjek yang melihat benda

WARNA ≠ sensasinya dengan karakteristik fisik lain seperti

titik leleh, ukuran partikel, SG dll. Merupakan persepsi manusia terhadap

penampakan dari sinyal yang diberikan oleh otak. Dipengaruhi oleh :

Sejumlah atribut fisik (ukuran, tekstur, gloss, polarisasi, keadaan fisik)

Serangkaian persepsi psikologis (latar belakang warna, type cahaya, karakteristik geometri objek).

SIFAT FISIK WARNA Defenisi warna : sebuah sensasi fisik jika distribusi energi

dari cahaya direfleksikan atau ditransmisikan oleh/melalui bahan pangan.

Energi digambarkan sebagai spektrum elektromagnetik yang kontiniu dengan kisaran dari sinar gamma (pjg gel 10-

5 nm – 1017 nm.

Bagian dari spektrum elektromagnetik yang dapat dilihat oleh mata : 380-770 nm mempengaruhi warna.

UV = 100-380 nm

Infra red = 770-1.000.000 nm

Jika sinar putih melewati anggur yang berwarna merah, maka pigmen antosianin dari anggur akan mengabsorbsi energi pada daerah sinar tampak. Energi yang tidak diserap akan lewat mencapai mata panjang gelombang sinar yang ditransmisikan = 700-770 nm warna merah.

Jika panjang gelombang = 380-400 nm warna violet.

SIFAT FISIK WARNA……..

Tabel 1. Warna, panjang dan jumlah gelombang sinar kromatik

Warna Panjang Gelombang, nm

Jumlah gelombang x 104 cm-1

1. Merah 630 – 770 1.25 – 1.59

2. Jingga 610 – 630 1.59 – 1.64

3. Kuning 560 – 610 1.64 – 1.79

4. Hijau Muda 520 – 560 1.79 – 1.92

5. Hijau 480 – 520 1.92 – 2.08

6. Biru Muda 460 – 480 2.08 – 2.17

7. Biru Tua 440 – 460 2.17 – 2.27

8. Nila 420 – 440 2.27 – 2.38

9. Violet 400 - 420 2.38 – 2.50

3 Unsur warna untuk menyatakan pengukuran warna :

- hue (warna kromatik)

- value / lightness : warna akromatik atau kecerahan

- kroma : intensitas warna kromatik

Penglihatan manusia merespon 3 warna (tri stimulus) dengan panjang gelombang yang berbeda yaitu merah, hijau dan biru.

Notasi standar untuk ketiga warna ini oleh International Committee on Illumination (ICI/CIE) :

X = merah

Y = hijau

Z = biru

Pengukuran Warna 5 Cara menilai atau mengukur warna :

Cara deskripsi

Cara gambar (chart methods)

Cara notasi subjektif dan objektif

Cara spektrofotometri objektif

Cara panelis ahli subjektif

Subjektif, visual

Contoh deskripsi warna baku untuk daging sapi

No Urut/Skor Diskripsi Baku

1 Merah pink (dark pink)

2 Merah ceri (Light Cherry Red)

3 Merah ceri agak gelap (Slight dark cherry red)

4 Merah agak gelap (Moderately dark red)

5 Merah gelap (Dark red)

6 Merah sangat gelap (very dark red)

6. Porositas

Ruang (void) dalam suatu massa seperti biji-bijian atau bahan porous lain.

Penting dalam aliran udara dan panas

Disebut juga faktor pengemasan (PF)

densitas partikel solid – densitas kemasan

PF =

densitas partikel solid

KARAKTERISTIK MEKANIK

Sifat Permukaan, Tekstur dan Kekerasan

Penting dalam proses pengupasan secara mekanis

Untuk mendisain mesin grading

Jenis sifat permukaan : halus, halus berbulu halus, halus berbulu kasar, kasar tidak berbulu dan kasar berbulu.

Tekstur biasanya dihubungkan dengan kesan mulut bila dikunyah setelah di masak

o mealy (seperti bertepung)

o gritty/sandy (rasa berpasir)

o Sticky (pulen)

Kekerasan berhubungan erat dengan tingkat kematangan buah

Pengertian Sifat Mekanis

Sifat mekanis adalah sifat yang berhubungan dengan perilaku bahan akibat gaya yang diberikan terhadap bahan tersebut.

Sifat mekanis yang berhubungan dengan perubahan bentuk dan aliran bahan disebut dengan sifat reologi

Sifat Reologi adalah sifat fisik produk pangan/hasil pertanian yang berkaitan dengan deformasi bentuk akibat terkena gaya mekanis

Sifat reologi = sifat mekanis

Sifat mekanis belum tentu sifat reologi

Pengertian Sifat Mekanis

Sifat mekanis adalah sifat yang berhubungan dengan perilaku bahan akibat gaya yang diberikan terhadap bahan tersebut.

Sifat-sifat mekanis bahan pangan dan hasil pertanian :

1. Kekerasan

2. Kekuatan tekan

3. Tahanan geser

4. Koefisien statis

5. Koefisien luncur (sliding)

6. Koefisien gesekan

Penting dalam pengecilan ukuran pada biji-bijian

Penting dalam disain teknik untuk memprediksi aliran bahan pada alat panen dan pengolahan

Penting dalam penentuan tekanan biji-bijian pada dinding gudang/silo

Elisa Julianti-FP-USU

Sifat-sifat reologi :

o kekentalan

o kelengketan

o elastisitas

o plastis

o lentur

o kenyal

Penting untuk bahan pangan cair, kental, gel dan plastis

Contoh : dodol, jam, sirup, madu, susu kental manis, margarin, mentega, krim, puding, bubur,minyak goreng, sari buah dll.

• Berdasarkan sifat alirannya bahan pangan cair dibedakan atas :

Newtonian : kekentalan tidak berubah dengan meningkatnya gaya

Contoh : larutan gula encer, larutan asam, larutan garam

Non Newtonian : kekentalan berubah dengan berubahnya gaya

Ada 3 jenis produk Non Newtonian :

1. Plastis : saus tomat, puding, sambal cabe dalam botol

2. Pseudoplastis : susu segar, santan, krim encer

3. Dilatan : mentega kacang, dispersi tepung pati, gula

kental

Gaya/Shear

kekentalan

B. Produk Plastis

C. Produk Pseudolastis

Gaya/Shear

kekentalan

D. Produk Dilatan

Gaya/Shear

kekentalan

SIFAT THERMAL BAHAN

Panas jenis (Cp)

Enthalpy

Konduktivitas panas (k)

Difusivitas panas

Koefisien pindah panas

permukaan

Penting dalam proses pemanasan dan pendinginan

1. Konduktivitas panas

• adalah laju pindah panas (q) melalui permukaan bahan dengan luas A jika pada benda tersebut diberikan panas dengan perbedaan suhu sebesar T1-T2

q L

k =

A (T1-T2)

• Konduktivitas panas berhubungan dengan porositas, struktur dan komposisi kimia

• Penting dalam :

penyimpanan biji-bijian

proses pengolahan di pabrik

pendinginan

Pindah panas konduksi

2. Difusivitas panas ()

• Penting dalam proses pengeringan, destilasi dan absorbsi

• Menentukan kecepatan distribusi panas dalam bahan

• Semakin besar maka semakin cepat pembauran panas dalam bahan

• Rumus :

k

=

cp

Dimana :

k = konduktivitas panas

= densitas

cp = panas jenis

3. Panas Jenis (cp)

• Adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu sebesar 1 oC atau 1oF

• Panas jenis air dalam keadaan cair : 1.00 BTU/lb

• Panas jenis air dalam keadaan beku : 0.48 BTU/lb

• Rumus :

1. Untuk bahan berkadar air tinggi, rumus cp di atas titik beku :

cp = 4.1868 (0.008 m + 0.2)

2. Untuk proses di bawah titik beku :

cp = 4.1868 (0.003 m + 0.2)

m = kadar air bahan (% basis basah)

3. Panas Laten

• Adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk merubah fase bahan baik dari padat ke cair atau dari cair ke gas atau sebaliknya tanpa merubah suhunya.

• Misal :

Panas untuk merubah air pada suhu 32oF menjadi es pada suhu 32oF disebut panas laten pembekuan

Panas yang dibutuhkan untuk merubah air pada suhu 212oF menjadi uap pada suhu 212oF disebut panas laten penguapan

• Panas laten pembekuan air : 144 BTU/lb