sifat-sifat fluida new

37
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Suatu pengetahuan mengenai mekanika fluida tidak dapat diabaikan begitu saja, karena sistem kehidupan terutama terdiri dari cairan, padatan, dan gas yang mana sangat berhubungan erat dengan fenomena kehidupan makhluk hidup sehari-harinya. Bidang-bidang studi ini mencakup tentang bagaimana kita mengerti sifat-sifat dan karakteristik dari unsur-unsur tersebut. Mekanika fluida adalah salah satu Ilmu Mekanika Terapan yang berhubungan dengan tingkah laku fluida baik fluida dalam keadaan diam maupun fluida dalam keadaan bergerak. Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan dapat menyesuaikan diri dengan bentuk dan tempat dimana fluida tersebut berada. Studi mengenai sifat-sifat fluida khususnya fluida statis yang mencakup tentang rapat massa, kekentalan, volume spesifik, tegangan permukaan, tekanan, kompresibilitas, dan kapilaritas perlu dipalajari dan dipahami, karena sifat-sifat tersebut sulit untuk diidentifikasi secara langsung, tetapi identifikasi yang dilakukan harus secara bertahap dan berkesinambungan dari yang bersifat umum sampai spesifik. Berdasarkan uraian diatas, maka pada makalah ini akan dibahas mengenai fluida statis. Makalah ini akan membahas mengenai analisis sifat dan karakteristik dari fluida statis yang terjadi, sehingga kita dapat mengetahui sifat-sifat fluida secara tepat. 1

Upload: ardynaaprisapoetri

Post on 28-Dec-2015

461 views

Category:

Documents


29 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sifat-sifat Fluida NEW

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.  Latar Belakang Masalah

Suatu pengetahuan mengenai mekanika fluida tidak dapat diabaikan begitu saja, karena

sistem kehidupan terutama terdiri dari cairan, padatan, dan gas yang mana sangat

berhubungan erat dengan fenomena kehidupan makhluk hidup sehari-harinya. Bidang-bidang

studi ini mencakup tentang bagaimana kita mengerti sifat-sifat dan karakteristik dari unsur-

unsur tersebut.

Mekanika fluida adalah salah satu Ilmu Mekanika Terapan yang berhubungan dengan

tingkah laku fluida baik fluida dalam keadaan diam maupun fluida dalam keadaan bergerak.

Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan dapat menyesuaikan diri dengan bentuk dan

tempat dimana fluida tersebut berada.

Studi mengenai sifat-sifat fluida khususnya fluida statis yang mencakup tentang rapat

massa, kekentalan, volume spesifik, tegangan permukaan, tekanan, kompresibilitas, dan

kapilaritas perlu dipalajari dan dipahami, karena sifat-sifat tersebut sulit untuk diidentifikasi

secara langsung, tetapi identifikasi yang dilakukan harus secara bertahap dan

berkesinambungan dari yang bersifat umum sampai spesifik.

Berdasarkan uraian diatas, maka pada makalah ini akan dibahas mengenai fluida statis.

Makalah ini akan membahas mengenai analisis sifat dan karakteristik dari fluida statis yang

terjadi, sehingga kita dapat mengetahui sifat-sifat fluida secara tepat.

1.2.  Perumusan Masalah

Dalam penyusunan makalah ini kami mencoba mengidentifikasi beberapa pertanyaan

yang akan dijadikan bahan dalam penyusunan dan penyelesaian makalah. Diantaranya yaitu :

1.    Apa pengertian dari Fluida Statis dan fluida dinamis?

2.    Apa sifat- sifat Fluida Statis ?

1.3. Tujuan Penulisan

Tujuan dari penyusunan makalah ini selain untuk memenuhi salah satu tugas dari mata

kuliah mekanika fluida , juga bertujuan untuk Mengetahui sifat- sifat Fluida Statis.

1

Page 2: Sifat-sifat Fluida NEW

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pengertian Fluida Statis

Fluida ialah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara permanen.

Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam

keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau bisa

dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam

sehingga tidak memiliki gaya geser. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida,

maka dalam fluida itu akan terbentuklah lapisan-lapisan di mana lapisan yang satu meluncur

di atas yang lainnya, hingga mencapai suatu bentuk baru. Selama perubahan bentuk ini

terdapat tegangan geser (shear stress), yang besarnya bergantung pada viskositas fluida dan

laju luncur. Tetapi, bila fluida itu sudah mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan geser

itu akan hilang. Fluida yang dalam keseimbangan itu bebas dari segala tegangan geser.

Pada suatu suhu dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas atau rapatan

(density) tertentu, yang dalam praktek keteknikan biasanya diukur dalam pound per cubic

foot ‘pon per kaki kubik’ atau dalam kilogram per meter kubik. Walaupun densitas fluida

bergantung pada suhu dan tekanan, perubahan densitas karena perubahan variable itu

mungkin besar dan mungkin pula kecil. Jika densitas itu hanya sedikit terpengaruh oleh

perubahan yang agak besar pada suhu dan tekanan, maka fluida disebut fluida tak-mampu-

mampat (incompressible). Tetapi, jika densitasnya peka terhadap perubahan variable itu,

fluida itu disebut fluida mampu-mampat (compressible). Zat cair biasanya dianggap tak-

mampu-mampat, sedang gas mampu-mampat. Namun penggunaan kedua istilah itu bersifat

relative; densitas zat cair dapat saja mengalami perubahan yang cukup berarti apabila tekanan

dan suhu diubah dalam jangkau yang cukup luas. Demikian pula, gas yang mengalami

perubahan tekanan dan suhu yang kalau saja dapat berlaku sebagai fluida tak-mampu-

mampat; perubahan densitasnya dalam kondisi seperti itu dapat diabaikan tanpa

menimbulkan kesalahan yang berarti.

Konsep tekanan. Sifat dasar dari setiap fluida static ialah tekanan. Tekanan dikeluarkan

sebagai gaya permukaan yang diberikan oleh fluida terhadap dinding bejana. Tekanan

terdapat pada setiap titik di dalam volume fluida. Pertanyaan fundamental kita ialah Besaran

apakah tekanan itu? Apakah tekanan itu tidak bergantung pada arah, atau berubahkah ia

menurut arah? Untuk fluida statik, sebagaimana terlihat dari analisa berikut ini, tekanan

ternyata tidak bergantung pada orientasi permukaan dalam temperatur bekerjanya tekanan itu.

2

Page 3: Sifat-sifat Fluida NEW

2.2 Aliran Fluida

Aliran fluida dapat dikategorikan:

1. Aliran Laminar

Aliran laminar merupakan aliran yang bergerak dalam lapisan-lapisan, atau lamina-

lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas

berfungsi untuk meredam kecenderungan terjadinya gerakan relative antara lapisan.

2. Aliran Turbulen

Aliran turbulen merupakan aliran di mana pergerakan dari partikel-partikel fluida

sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antara

lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida ke bagian

fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi

yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga

menghasilkan kerugian-kerugian aliran.

3. Aliran Transisi

Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.

2.3 Sifat-sifat Fluida

Semua fluida nyata (gas/uap dan zat cair) memiliki sifat-sifat khusus yang dapat

diketahui, antara lain: rapat massa (density), kekentalan (viscosity), volume spesifik (specific

volume), tegangan permukaan (surface tension), tekanan (pressure), kemampatan

(compressibility), dan kapilaritas (capillarity). Beberapa sifat fluida pada kenyataannya

merupakan kombinasi dari sifat-sifat fluida lainnya. Sebagai contoh kekentalan kinematik

melibatkan kekentalan dinamik dan rapat massa. Sejauh yang kita ketahui, fluida adalah

3

Page 4: Sifat-sifat Fluida NEW

gugusan yang tersusun atas molekul-molekul dengan jarak pisah yang besar untuk gas dan

kecil untuk zat cair. Molekul-molekul itu tidak terikat pada suatu kisi, melainkan saling

bergerak bebas terhadap satu sama lain.

Sifat fluida zat cair :

a. Mempunyai permukaan yang bebas (free surface)

b. Zat tersebut disuatu tabung hanya akan mengisi sebesar volume yang diperlukan.

c. Zat cair praktis merupakan suatu zat yang incompressible ( zat yang sukar

dimampatkan).

Sifat fluida gas :

a. Tidak memiliki permukaan bebas (free surface)

b. Gas jika ditempakan didalam tabung akan mengisi seluruh ruangan tersebut

c. Gas merupakan zat yang compressible (zat yang dapat dimampatkan).

Perbedaan Gas dan Uap

a. Gas

1. Tidak dapat kembali ke bentuk semula

2. Pada tekanan normal (1 atm)

b. Uap

1. Dapat kembali ke bentuk semula2. Tekanan normal nilainya dapat setinggi-tingginya (lebih dari 1 atm)

Fluida Riil dan Fluida Ideal

Fluida hanya memberikan tahanan yang sangat kecil terhadap gaya geser hingga

dapat di abaikan, seperti untuk air dan udara. Apabila anggapan tersebut tidak di lakukan,

maka dalam analisis gerakan fluida harus di perhitungkan gaya geser yang terjadi. Gaya

geser tergantung pada kekentalan fluida dari gradien kecepatan pada fluida yang mengalir.

Aliran fluida yang ada di alam (fluida riil) akan menimbulkan tegangan geser,

seperti : aliran air dalam pipa (saluran tertutup), saluran terbuka, suatu benda yang

bergerak di dalam zat cair. Fluida semacam ini tidak ada di alam, tetapi anggapan fluida

ideal ini dilakukan untuk memudahkan “analisis”.

Dimensi

Dimensi merupakan besaran terukur, yang menunjukkan karakteristik suatu obyek,

seperti: massa, panjang, waktu, temperatur, dan sebagainya. Satuan adalah suatu standar

4

Page 5: Sifat-sifat Fluida NEW

untuk mengukur ‘dimensi’. Misalnya: satuan untuk: massa, panjang dan waktu adalah

kilogram (Kg), meter (m) dan detik (dt). Di Indonesia masih sering digunakan sistem satuan

MKS, dimana ukuran dasar untuk panjang, massa dan waktu adalah meter (metre, M);

kilogram (kilogram, K) dan detik (second, S). Salah satu besaran yang sangat penting dalam

bidang teknik adalah gaya. Pengukuran gaya didasarkan pada hukum Newton II.

F = m.a .................................................................................................(1-1)

Dalam sistem MKS, satuan massa adalah kilogram massa (Kgm). Satuan gaya adalah

kilogram gaya (Kgf). Kedua satuan tersebut mempunyai hubungan dalam bentuk:

Kgm g = Kgf . ............................................................................................ (1-2)

dengan : g adalah percepatan gravitasi yang biasanya bernilai :9,81. Karena percepatan

gravitasi tergantung pada letak benda di muka bumi, maka berat benda adalah berbeda dari

satu tempat ke tempat yang lain.

Selain sistem satuan Mks, digunakan juga bahasa satuan internasional tunggal yang

disebut Sistem International d’Unite (SI). Pada sistem SI : satuan massa adalah Kilogram.

Satuan gaya adalah Newton (N) 1 (satu) Newton adalah gaya yang bekerja pada benda

dengan massa 1 Kg dan menimbulkan percepatan 1 m/dt2.

1 N (Newton) = m (1Kg) x a (1 m/dt2) atau 1 N = 1 Kg x 1 m/dt2- Kekentalan

5

Page 6: Sifat-sifat Fluida NEW

Tabel 1. Faktor konversi dari sistem satuan Mks ke SI:

Besaran Simbol Mks Sistem SI Konversi Ket:

Panjang

Massa

Waktu

Gaya

Luas

Volume

Kecepatan

Percepatan

Debit

Kecepatan Sudut

Gravitasi

Kekentalan dinamis

Kekentalan kinematik

Rapat massa

Berat jenis

Tekanan

Daya

Kerja, Energi

L

M

t

F

A

V

v

a

Q

ω

g

µ

ν

ρ

γ

p

P

W

m

Kgm

dt

kgf

m2

m3

m/dt

m/dt2

m3/dt

rad/dt

m/dt2

Ndt/m2

m2/dt

Kgm/m3

Kg/m

N/m2

W

Joule/dt

m

Kg

dt

N

m2

m3

m/dt

m/dt2

m3/dt

rad/dt

m/dt2

Ndt/m2

m2/dt

Kgm/m3

Kg/m

N/m2(pascal)

W(joule/dt)

Nm(Joule)

g = 9,81

10-1

10-4

g = 9,81

g = 9,81

g = 9,81

Omega

Miu

Rho

Gamma

2.3.1 Rapat Massa

Rapat massa adalah suatu besaran turunan dalam fisika yang secara umum lebih

dikenal massa jenis. Penggunaan istilah rapat massa bisa lebih umum dengan melihatnya

sebagai persoalan satu, dua atau tiga dimensi. Pada kasus yang terakhir ini lebih dikenal

karena sifatnya yang lebih nyata.

2.3.1.1 Massa jenis

Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa

jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Massa jenis rata-rata

setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda yang

memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah

daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air).

Satuan SI massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg·m-3)

6

Page 7: Sifat-sifat Fluida NEW

Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda.

Dan satu zat berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang

sama.Rumus untuk menentukan massa jenis adalah

………………………………………………………… (1-3 )

dengan

ρ adalah massa jenis,

m adalah massa,

V adalah volume.

Satuan massa jenis dalam 'CGS ”centi-gram-sekon” adalah: gram per sentimeter kubik

(g/cm3). 1 g/cm3=1000 kg/m3.

Massa jenis air murni adalah 1 g/cm3 atau sama dengan 1000 kg/m3.

Selain karena angkanya yang mudah diingat dan mudah dipakai untuk menghitung, maka

massa jenis air dipakai perbandingan untuk rumus ke-2 menghitung massa jenis, atau yang

dinamakan 'Massa Jenis Relatif'.

Rumus massa jenis relatif = Massa bahan / Massa air yang volumenya sama.

7

Page 8: Sifat-sifat Fluida NEW

Tabel 2. Massa Jenis Beberapa Material

Material ρ dalam kg/m3 Catatan

Interstellar

medium

10-25 − 10-15 Assuming 90% H, 10% He; variable T

Atmosfir Bumi 1.2 Pada permukaan Laut

Aerogel 1 – 2

Styrofoam 30 – 120 From

Gabus 220 – 260 From

Udara 1000 Pada kondisi Standar untuk suhu dan tekanan

Plastik 850 – 1400 For polypropylene and PETE/PVC

Bumi 5515.3 Mean density

Tembaga 8920 – 8960 Near room temperature

Timah 11340 Near room temperature

Inti Perut Bumi ~13000 As listed in Earth

Uranium 19100 Near room temperature

Iridium 22500 Near room temperature

Inti Matahari ~150000

Inti Atom ~3 × 1017 As listed in neutron star

Neutron star8.4 × 1016 − 1

× 1018

Black hole 4 × 1017Mean density inside the Schwarzschild radius

of an earth-mass black hole (theoretical)

8

Page 9: Sifat-sifat Fluida NEW

Tabel 3. Massa jenis zat dinyatakan dalam standar satuan SI dan CGS.

Nama zat ρ dalam satuan SI ρ dalam satuan CGS

Air (4˚C) 1.000 kg/m3 1 gr/cm3

Alkohol 800 kg/m3 0,8 gr/cm3

Air raksa 13.600 kg/m3 13,6 gr/cm3

Aluminium 2.700 kg/m3 2,7 gr/cm3

Besi 7.900 kg/m3 7,9 gr/cm3

Emas 19.300 kg/m3 19,3 gr/cm3

Kuningan 8.400 kg/m3 8,4 gr/cm3

Perak 10.500 kg/m3 10,5 gr/cm3

Platina 21.450 kg/m3 21,45 gr/cm3

Seng 7.140 kg/m3 7,14 gr/cm3

Udara(27˚C) 1,2 kg/m3 0,0012 gr/cm3

Es 920 kg/m3 0,92 gr/cm3

2.3.1.2 Berat Jenis

Berat jenis adalah berat benda tiap satuan volume pada temperatur dan tekanan tertentu.

Berat jenis dinyatakan dengan : γ

γ = ρ . g ….................................................................................... (1-4)

Dimana :

Untuk Sistem MKS

γ = berat jenis (kg/m3)

ρ = rapat massa (kg/m3)

g = percepatan grafitasi bumi (m/dt2)

Untuk sistem SI

γ = berat jenis (N/m3)

ρ = rapat massa (kg/m3)

g = percepatan grafitasi bumi (m/dt2)

Contoh : Berat jenis air pada 4oC dan pada tekanan atmosfer adalah 9,81 kN/m3 (dalam

sistem satuan SI) atau 1000 kg/m3 (dalam sistem satuan MKS).

9

Page 10: Sifat-sifat Fluida NEW

2.3.1.3 Rapat relatif

Perbandingan antara rapat massa suatu zat terhadap rapat massa air, atau perbandingan antara

berat jenis zat terhadap berat jenis air pada suhu 4oC.

Rapat relatif dinyatakan dengan : S

S =ρ zat−cair

ρair

=γ zat−cair

γ air ……………………...... (1-5)

Contoh Soal:

1. Satu liter minyak mempunyai berat 0,7 kg. Hitung berat jenis, rapat massa dan

rapat relatif ?

Penyelesaian:

- Berat jenis (γ) = 0,7 x 1000 = 700 kg/m3

- Rapat Massa ( ρ ) = γ/g = (700 kg/m3)/(9,81m/dt2) = 71,36 kg.dt2/m4

Diketahui bahwa : kg (kgf) = g . kgm

kg = 9,81m/dt2.kgm

kg.dt2/m = 9,81 kgm

maka :

rapat massa ( ρ ) = 71,36 (kg.dt2/m4) x 9,81 (kgm/kg.dt2/m) = 700 kgm / m3

- Rapat relatif = (densiti zat cair) / (densiti air)

S = (700 kgm/m3) / (1000 kg/m3)

S = 0,7

2.3.2 Kekentalan

Kekentalan merupakan penolakan terhadap penuangan. Kekentalan dikenal sebagai

Viskositas.Viskositas adalah sebuah ukuran penolakan sebuah fluida terhadap perubahan

bentuk di bawah tekanan shear/tegangan geser. Viskositas menggambarkan penolakan dalam

fluida kepada aliran dan dapat diangap sebagai sebuah cara untuk mengukur gesekan fluida.

Air memiliki viskositas rendah, sedangkan minyak sayur memiliki viskositas tinggi.

10

Page 11: Sifat-sifat Fluida NEW

Kekentalan suatu fluida adalah sifat yang menentukan besar daya tahannya terhadap

gaya geser. Kekentalan terutama diakibatkan oleh saling pengaruh antara molekul-molekul

fluida.

Gambar 1.1

Seperti pada gambar 1-1, selidikilah dua lempengan besar sejajar, terpisah pada jarak

y yang kecil, ruang antara lempengan diisi dengan suatu fluida. Anggaplah lempengan

sebelah atas digerakkan oleh suatu gaya tetap F dan karenanya bergerak dengan kecepatan

tetap U. Fluida yang bersentuhan dengan membentuk sebelah atas akan melekat kepadanya

dan akan bergerak pada kecepatan U, dan fluida yang bersentuhan dengan lempengan diam

akan mempunyai kecepatan nol. Jika jarak y dan kecepatan U tidak terlalu besar, variasi

kecepatan (gradien) akan merupakan suatu garis lurus. Percobaan-percobaan telah

menunjukkan bahwa gaya F berubah-ubah bersama dengan luas lempengan, dengan

kecepatan U, dan berlawanan dengan jarak y. Akibat segitiga yang sebagun, U/y =dV/dy, kita

mempunyai

F AUy¿¿ = A

dVdy atau

FA = τ ∝

dVdy (1.8)

Dimana = F/A = tegangan geser. Jika suatu tetapan kesebandingan µ (miu), yang yang

disebut kekentalan mutlak (dinamik), dimasukkan,

τ=μdVdy

atau μ=τ

dV /dy (1.9)

Satuan adalah Pa dt, karena Pa

(m

dtk)/m = Pa dtk. Fluida yang mengikuti hubungan

persamaan (5) disebut fluida newton.

Koefisien kekentalan yang lain, yakni koefisien kekentalan kinematik, di definisikan

sebagai,

Koefisien kinematik v (nu) =kekentalan mutlak μ

rapat massa ρ

11

Page 12: Sifat-sifat Fluida NEW

Atau

v = μρ

(1.10)

satuan v adalah m ²dtk

, sebab Pa dtk

kg= kg/mdtk

kg /m ³ =

m ²dtk

Kekentalan ditulis dalam buku pegangan (handbooks) dengan satuan poise dan stoke

(satuan cgs) dan kadang-kadang dengan Saybolt detik, dari pengukuran viscometer.

Kekentalan cairan bekurang dengan bertambahnya suhu tapi tak cukup banyak

dipengaruhi oleh perubahan tekanan. karena rapat gas-gas berubah bersama perubahan

tekanan (suhu tetap), kekentalan kinematik berubah-ubah bersama tekanan secara

berlawanan. Meskipun demikian, dari persamaan diatas μ=pv.

Ketika sebuah tekanan shear/tegangan geser diterapkan kepada sebuah benda padat,

benda itu akan berubah bentuk sampai mengakibatkan gaya yang berlawanan untuk

mengimbangkan, sebuah ekuilibrium/kesetimbangan. Namun, ketika sebuah tegangan geser

diterapkan kepada sebuah fluida, seperti angin bertiup di atas permukaan samudra, fluida

mengalir, dan berlanjut mengalir ketika tekanan diterapkan. Ketika tekanan dihilangkan,

umumnya, aliran berkurang karena perubahan energi dalam. Dan ini dikenal dengan teori

Newton.

Kekentalan disebabkaan adanya kohesi (gaya tarik menarik) antar partikel zat cair.

Zat cair ideal dianggap tidak mempunyai kekentalan, zat cair riil dianggap mempunyai

kekentalan. Zat cair yang mempunyai kekentalan yang besar adalah : Olie, sirop, minyak

sayur. Sedangkan zat cair yang mepunyai kekentalan yang kecil adalah : air, bensin

Kekentalan absolut dinyatakan dengan : ν

ν = μρ ............................................................................. (1-6)

Dimana : ν = kekentalan kinematika (m2/dt)

μ = kekentalan Dinamik ( Ndt/m2)

ρ = rapat massa (kg/m3)

2.3.3 Volume Spesifik

Volume spesifik (udara lembab) adalah volume udara lembab per 1 kg udara kering

(m3/kg).. Untuk menghitung volume spesifik campuran udara – uap digunakan persamaan gas

ideal. volume spesifik udara dapat didekati dengan persamaan berikut :

12

Page 13: Sifat-sifat Fluida NEW

Keterangan :

v = Volume spesifik (m3/kgudara kering)

P = Tekanan atmosfer (101,3238 kPa)

R = Tetapan gas (8.314.041 J/kg.mol.K)

Tdb = Suhu bola kering (°C)

W = Kelembaban mutlak (kguap air/kgudara kering)

2.3.4 Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan adalah tegangan akibat gaya tarik molekul zat cair ke arah

bawah permukaan. Adanya tegangan permukaan tersebut menyebabkan terbentuknya lapisan

tipis pada bidang permukaan zat cair yang mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan

tarik.

Molekul zat cair saling tarik menarik sesamanya, dengan gaya berbanding

lurus dengan massa, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat-pusat massa.

Gaya tarik menarik tersebut adalah setimbang. tetapi bila pada permukaan antara zat cair

dan udara ,atau antara zat satu dengan lainnya, gaya tarik ke atas dan ke bawah tidak

setimbang.

Gambar 5. gaya tarik menarik pada permukaan zat cair

Ketidak setimbangan tersebut menyebabkan molekul-molekul pada permukaan

melakukan kerja untuk membentuk permukaan zat cair.”kerja” yang diperlukan untuk

melawan gaya tarik ke bawah tersebut, dikenal dengan tegangan permukaan.

13

Page 14: Sifat-sifat Fluida NEW

Tegangan Permukaan σ (notasi : sigma), bekerja pada bidang permukaan yang sama besar

di semua titik.

Gambar 6. profil tegangan permukaan pada zat cair

Gaya tarik yang bekerja pada permukaan akan di minimumkan luas permukaan.Oleh karena

itu tetesan zat cair akan berusaha untuk berbentuk bulat agar luas permukaannya

minimum. Pada tetesan zat cair tegangan permukaan akan menaikkan tekanan di

dalam tetesan.

Suatu tetes zat cair dengan jari-jari ‘r’, tekanan dalam ‘p’ yang diperlukan untuk

mengimbangi gaya tarik karena tegangan permukaan dihitung berdasarkan gaya-gaya

yang bekerja pada belahan tetes zat cair.

Gaya tekanan dalam adalah p.π .r 2 , untuk tegangan permukaan pada keliling adalah 2.π

.r.σ . Untuk kesetimbangan akan terdapat hubungan:

2π .r.σ = π .r 2 . p = ρ.r

atau 2.σ = p.r

p = 2 σr ..................................................... (1-11)

Dalam bidang teknik, besarnya gaya tegangan, permukaan adalah sangat kecil

dibanding gaya lain yang bekerja pada fluida, sehingga biasanya diabaikan.

2.3.5 Tekanan

14

Page 15: Sifat-sifat Fluida NEW

Satuan tekanan atau tekanan dinyatakan sebagai gaya dibagi oleh luas. Pada

umumnya,

P(N /m¿¿2 atau Pa)=dP(N )dA (m2)

¿ (1.11)

Untuk keadaan-keadaan di mana gaya P terdistribusi merata atas suatu luas, kita

memperoleh

p ( Pa )= P ( N )A ( m2)

danP ( N )A (m2)

x 10ˉ ⁵ (1.12)

Perbedaan tekanan

Perbedaan tekanan antara dua titik manapun pada ketinggian yang berbeda dalam

suatu cairan diberikan oleh:

P2 – P1 = ρg (h2 – h1) dalam Pa (1.13)

Dimana:

ρg = satuan berat cairan (N/m3)

h2-h1 = perbedaan ketinggian (m)

Jika titik 1 berada di permukaan bebas cairan dan h positif kearah bawah,

persamaan di atas menjadi:

p = ρgh (dalam Pa), tekanan suatu (tekanan gage)

Untuk memperoleh satuan tekanan bar, kita gunakan:

Tekanan meter p '= p

1 05+ pgh

1 05¿ (1.14)

Persamaan-persamaan tersebut dapat digunakan selama besarnya ρ tetap (atau berubah sedikit

sekali bersama h sehingga tidak mengakibatkan kesalahan yang cukup berarti dalam hasil

perhitungan).

Variasi Tekanan dalam suatu Fluida Kompresibel

15

Page 16: Sifat-sifat Fluida NEW

Variasi tekanan dalam suatu fluida kompresibel biasanya sangat kecil akibat berat

satuan dan perbedaan ketinggian yang kecil yang dipertimbangkan dalam perhitungan-

perhitungan hidraulik. Bilamana perbedaan seperti itu harus diperhitungkan untuk perubahan

dh yang kecil, hukum variasi tekanan bisa dituliskan

dp = - ρg dh (1.15)

Tanda negative menunjukkan bahwa tekanan berkurang bersama dengan bertambahnya

ketinggian, dengan h positif ke atas.

Head Tekanan

Head tekanan h menyatakan tinggi suatu kolom fluida homogen yang akan

menghasilkan suatu kekuatan tekanan tertentu. maka,

h(m fluida)=ρ(Pa)

ρ ɡ( Nm3 )

(1.16)

Bila terjadi penguapan dalam suatu ruang tertutup, tekanan parsial yang dihasilkan

oleh molekul-molekul uap disebut tekanan uap. Tekanan uap tergantung pada suhu

bertambah dan bersamanya .

2.3.6 Kompresibilitas

Kemampatan fluida adalah perubahan (pengecilan) volume karena adanya

perubahan(penambahan) tekanan. Kondisi tersebut ditunjukkan oleh perbandingan antara

perubahan tekanan dan perubahan volume terhadap volume awal. Perbandingan ini dikenal

dengan modulus elastisitas.

Bila d p adalah pertambahan tekanan dan d V adalah pengurangan volume dari volume

awal V maka:

K = dpdVV .................................................. (1-12)

Apabila ditinjau benda dengan volume ‘ V ’ dan massa ‘m’, maka:

16

Page 17: Sifat-sifat Fluida NEW

Dideferensikan:

K = dpdρρ .................................................... (1-13)

Persamaan di atas menunjukkan, harga ‘K’ tergantung pada tekanan dan rapat massa.

Karena rapat massa dipengaruhi temperatur, maka harga ‘K’ juga tergantung

pada perubahan temperatur selama pemampatan. Apabila perubahan terjadi pada

temperatur konstan, maka Ki disebut modulis elastifitas isothermal. Apabila tidak

terjadi transfer panas selama proses perubahan, maka Ka disebut dengan modus

elastisitas adiabatik. Pada zat cair dan padat; Ka = Ki

Harga ‘K’ untuk zat cair sangat besar, hingga perubahan rapat massa karena

perubahan tekanan adalah sangat kecil, sehingga perubahan rapat massa zat cair sering di

abaikan, dan dianggap sebagai zat tak kompresibel atau tidak termampatkan. Tetapi pada

kondisi tertentu di mana perubahan tekanan sangat besar dan mendadak, maka anggapan zat

cair ter kompresibel tidak bisa berlaku.

Contoh Misalnya terjadi pada penutupan katup turbin PLTA secara mendadak,

sehingga mengakibatkan perubahan (kenaikan yang sangat besar).

Pada gas, mempunyai harga K yang sangat kecil dan tidak konstan sehingga modus

elastisitas tidak di gunakan dalam analisis gas.

Contoh:

1. Hitunglah nilai penyimpangan dari kompresibilitas darisuatu gas apabila suatu gas dengan volume 1 dm3 dengan tekanan 1 atm/bar ?Diketahui :

P = 1 bar

V = 1 dm3 = 1000 cm3

T = 60oC = 333 K

17

Page 18: Sifat-sifat Fluida NEW

Jawab :

Z = PV

RT

= 1 bar x 1000 cm3

83,14 cm3 bar/mol K x 333 K

= 1000

27685,62/mol

= 0,03612 mol

- Berapa perubahan volume dari 1 m3 air bila terjadi pertambahan tekanan 20 bar (1

bar =10 ton/m2 = 105 N/m2). Modulus elastisitas air ‘K’ = 2,24 x 109 N/m2

Penyelesaian:

Persamaan :

K = dpdVV

dV = −V dpK

dV =− 1 x20 x 105

2 ,24 . 109= −0 ,00089 m3

Terlihat, dengan pertambahan tekanan yang sangat besar, terjadi perubahan volume

yang sangat kecil.

2.3.7 Kapilaritas

Kapilaritas adalah gejala naik turunnya permukaan air di dalam suatu tabung akibat

gaya adhesi dan gaya kohesi. Jika Kohesi lebih kecil dari adhesi, maka permukaan zat cair

akan naik. Jika kohesi lebih besar dari pada adhesi, maka permukaan zat cair akan turun.

2.3.7.1 Gaya Kohesi dan Adhesi

Gaya Kohesi merupakan gaya tarik menarik antara molekul dalam zat yang sejenis,

sedangkan gaya tarik menarik antara molekul zat yang tidak sejenis dinamakan Gaya Adhesi.

Misalnya kita tuangkan air dalam sebuah gelas. Kohesi terjadi ketika molekul air saling tarik

menarik, sedangkan adhesi terjadi ketika molekul air dan molekul gelas saling tarik menarik.

2.3.7.2 Sudut Kontak

18

Page 19: Sifat-sifat Fluida NEW

Sebelum mempelajari konsep Kapilaritas, terlebih dahulu kita pahami bagaimana

pengaruh gaya adhesi dan gaya kohesi bagi Kapilaritas. Misalnya kita tinjau cairan yang

berada dalam sebuah gelas (lihat gambar di bawah). Ketika gaya kohesi molekul cairan lebih

kuat daripada gaya adhesi (gaya tarik menarik antara molekul cairan dengan molekul gelas)

maka permukaan cairan akan membentuk lengkungan ke atas. Contoh untuk kasus ini adalah

ketika air berada dalam gelas. Biasanya dikatakan bahwa air membasahi permukaan gelas.

Sebaliknya apabila gaya adhesi lebih kuat maka permukaan cairan akan melengkung ke

bawah. Contohnya ketika air raksa berada di dalam gelas.

Gambar 1. gaya kohesi dan adhesi pada zat cair didalam tabung

Sudut yang dibentuk oleh lengkungan itu dinamakan sudut kontak (teta). Ketika gaya kohesi

cairan lebih besar daripada gaya adhesi, maka sudut kontak yang terbentuk umumnya lebih

kecil dari 90o (gambar a). Sebaliknya, apabila gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi

cairan, maka sudut kontak yang terbentuk lebih besar dari 90o (gambar b). Gaya adhesi dan

gaya kohesi secara teoritis sulit dihitung, tetapi sudut kontak dapat diukur. Apa hubungannya

dengan kapilaritas ?

2.3.7.3 Konsep Kapilaritas

Apabila gaya kohesi cairan lebih besar dari gaya adhesi, maka permukaan cairan

akan melengkung ke bawah. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang

diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih tinggi

(Lihat digambar di bawah). Dengan kata lain, cairan yang ada dalam wadah naik melalui

kolom pipa tersebut. Hal ini disebabkan karena gaya tegangan permukaan total sepanjang

dinding tabung bekerja ke atas. Ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan adalah

ketika gaya tegangan permukaan sama atau setara dengan berat cairan yang berada dalam

pipa. Jadi, cairan hanya mampu naik hingga ketinggian di mana gaya tegangan permukaan

seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa.

19

Page 20: Sifat-sifat Fluida NEW

Gambar 2. Gaya kohesi lebih besar dari gaya adhesi

Sebaliknya, jika gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi cairan, maka permukaan cairan

akan melengkung ke atas. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang

diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih rendah

(lihat gambar di bawah).

Gambar 3. Gaya adhesi lebih besar dari gaya kohesi

Efek ini dikenal dengan julukan gerakan kapiler alias kapilaritas dan pipa tipis tersebut

dinamakan pipa kapiler. Perlu diketahui bahwa pembuluh darah kita yang terkecil juga bisa

disebut pipa kapiler, karena peredaran darah pada pembuluh darah yang kecil juga terjadi

akibat adanya efek kapilaritas. Demikian juga fenomena naiknya leleh lilin atau minyak tanah

melalui sumbu. Selain itu, kapilaritas juga diyakini berperan penting bagi perjalanan air dan

zat bergizi dari akar ke daun melalui pembuluh xylem yang ukurannya sangat kecil. Bila tidak

ada kapilaritas, permukaan tanah akan langsung mengering setelah turun hujan atau disirami

air. Efek penting lainnya dari kapilaritas adalah tertahannya air di celah-celah antara partikel

tanah. Lumayan, bisa membantu para petani di kebun.

2.3.7.4. Persamaan Kapilaritas

20

Page 21: Sifat-sifat Fluida NEW

Pada penjelasan sebelumnya, dikatakan bahwa ketinggian maksimum yang dapat

dicapai cairan ketika cairan naik melalui pipa kapiler terjadi ketika gaya tegangan

permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler. Nah, bagaimana

kita bisa menentukan ketinggian air yang naik melalui kolom pipa kapiler ?, perhatikan

gambar di bawah.

Gambar 4. Gaya-gaya bekerja pada pipa kapilar

Tampak bahwa cairan naik pada kolom pipa kapiler yang memiliki jari-jari r hingga

ketinggian h. Gaya yang berperan dalam menahan cairan pada ketinggian h adalah komponen

gaya tegangan permukaan pada arah vertikal : F cos teta (bandingkan dengan gambar di

bawah).

Bagian atas pipa kapiler terbuka sehingga terdapat tekanan atmosfir pada permukaan cairan.

Panjang permukaan sentuh antara cairan dengan pipa adalah 2 phi r (keliling lingkaran).

Dengan demikian, besarnya gaya tegangan permukaan komponen vertikal yang bekerja

sepanjang permukaan kontak adalah :

........................................................... (1-7)

Keterangan :

21

Page 22: Sifat-sifat Fluida NEW

Apabila permukaan cairan yang melengkung ke atas diabaikan, maka volume cairan dalam

pipa adalah :

…...................... (1-8)

Apabila komponen vertikal dari Gaya Tegangan Permukaan seimbang dengan berat kolom

cairan dalam pipa kapiler, maka cairan tidak dapat naik lagi. Dengan kata lain, cairan akan

mencapai ketinggian maksimum, apabila komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan

seimbang dengan berat cairan setinggi h. Komponen vertikal dari Gaya tegangan permukaan

adalah :

………........................... (1-9)

Ketika cairan mencapai ketinggian maksimum (h), Komponen vertikal dari gaya tegangan

permukaan harus sama dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler. Secara matematis,

ditulis :

............................................. (1-10)

22

Page 23: Sifat-sifat Fluida NEW

Ini adalah persamaan yang digunakan untuk menentukan ketinggian kolom cairan.

23

Page 24: Sifat-sifat Fluida NEW

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

1) Fluida adalah zat yang dapat mengalir

2) Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam

keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau

bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam

sehingga tidak memiliki gaya geser.

3) Aliran Fluida

Aliran fluida dapat dikategorikan:

Aliran Laminar

Aliran Turbulen

Aliran Transisi

4) Sifat-sifat dari fluida statis antara lain, yaitu :

a) rapat massa

b) Kekentalan

c) Tegangan permukaan

d) Tekanan

e) kapilaritas

f) kompresibilitas

24

Page 25: Sifat-sifat Fluida NEW

DAFTAR PUSTAKA

www.google.com

www.wikipedia.com

www.chem-mist-try.blogspot.com

Jobsheet.2013.Bahan Ajar Mekanika Fluida.Palembang: Politeknik Negeri Sriwijaya.

http://mtnugraha.wordpress.com/2009/07/05/158/

http://darmulis.blogspot.com/2012/03/v-behaviorurldefaultvmlo.html

25

Page 26: Sifat-sifat Fluida NEW

CONTOH SOAL 1Suatu cairan mengalir pada suatu pelat miring dalam bentuk lapisan tipis setebal t

Suatu cairan yang mengalir diatas suatu pelat

Bagian atas (permukaan) dari cairan yang mengalir diatas pelat tersebut berhubungan dengan udara yang hampir tidak menyebabkan hambatan pada aliran. Dengan menggunakan hukum Newton untuk viscositas tentukan harga dx/du.

Apakah keadaan ini akan terdapat pembagian kecepatan yang linier?Hukum Newton untuk viskositas adalah

Pada permukaan cairan tegangan geser = 0

Dari dua persamaan tersebut dapat terlihat bahwa terdapat perubahan du/ dzAntara dasar dan permukaan yang menunjukkan adanya perubahan dari kemiringan lengkung pembagian kecepatan. Dengan demikian kecepatan pada sumbu z tidak linier.

26

Page 27: Sifat-sifat Fluida NEW

CONTOH SOAL 2

Suatu pelat terletak sejauh 0,5 mm dari pelat yang lain tetap. Pelat tersebut bergerak dengan kecepatan 0,25 m/det dan memerlukan suatu gaya tiap satuan luas sebesar 2 Pa (N/m2) untuk menjaga kecepatan yang tetap. Tentukan viskositas cairan yang terletak di antara dua pelat tersebut.

CONTOH SOAL 3Berapa besar tekanan uap yang dapat menyebabkan terjadiny akavitasi pada inlet dari suatu pompa yang mengalirkan air pada temperatur 35oC.

Jawaban :Kavitasi terjadi apabila tekanan berkurang sampai mencapai tekanan uap.

27