Just another WordPress.com site

 

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Air adalah salah satu sumber kehidupan bagi semua makhluk yang ada di dunia. Air berperan dalam berbagai proses, seperti perbaikan cairan dalam tubuh, proses metabolisme pada tubuh hewan dan manusia, proses fotosintetis pada tumbuhan, dan sebagainya. Kebersihan air menjadi jaminan bahwa fungsi-fungsi tersebut berjalan dengan lancar. Namun, air yang ada di dunia ini mudah sekali untuk tercemar karena berbagai faktor, salah satunya adalah akibat ulah tangan manusia yang tidak bertanggung jawab yaitu membuang limbah ke dalam air. Pembuangan limbah ini tidak hanya dilakukan oleh lingkungan perumahan saja, namun dilakukan pula oleh pelaku industri kecil, seperti bengkel motor/mobil, bahkan dilakukan pula oleh industri besar, seperti penyulingan minyak fosil. Limbah dari penyulingan mengandung agen polusi seperti phenol, minyak, sulfida, krom, logam berat, atau polusi yang menyebabkan gangguan fisik seperti perubahan suhu, pH, konduktivitas, dan bau.

Hal ini menimbulkan pertentangan antara kemajuan teknologi yang memudahkan hidup manusia dengan keadaan lingkungan yang semakin tidak nyaman karena polusi yang terjadi akibat kemajuan teknologi. Namun, sebagai makhluk yang mampu berpikir tepat dan logis, manusia bisa memecahkan masalah ini. Asumsi ini ditunjukkan dengan melihat adanya perbedaan viskositas air dan temperatur dalam proses pemisahan polutan, misalnya minyak, dari air yang dapat mempengaruhi kecepatan tetesan minyak. Viskositas merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Prinsip viskositas ini dapat digunakan dalam proses pemisahan minyak dengan air. Kekentalan suatu zat cair dapat dihitung dengan hukum Srokes. Bilangan reynold juga dapat digunakan dalam prinsip viskositas ini dan menentukan jenis aliran fluida. Keadaan suhu pada fluida juga mempengaruhi kecepatan tetesan minyak sehingga bisa membuat minyak yang sebelumnya telah bercampur dengan air akan naik ke permukaan dan berpisah dengan air.

Dalam tulisan ini, kami mencoba untuk membahas pengaruh viskositas air, temperatur dan hubungan-hubungan lain yang berkaitan dengan pemisahan minyak dari air ini dengan kecepatan tetesan minyak secara matematis.

1.2. Tujuan

Laporan Tugas Akhir ini bertujuan untuk :

1 Mengetahui pengertian viskositas, temperatur dan bilangan reynold, serta jenis-jenis aliran fluida.

2 Mengetahui pengaruh viskositas, temperatur dan bilangan reynold pada kecepatan tetesan minyak dan upaya dalam meningkatkan kecepatan tetesan minyak dalam fluida.

3 Mengetahui hubungan antara kecepatan tetesan minyak dengan hukum stoke dan pembuktiannya sehingga dapat memisahkan minyak dari air.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini, penulis hanya membatasi masalah pada pengaruh viskositas air dan temperatur terhadap kecepatan tetesan minyak. Dari pembatasan masalah ini, kami pun membaginya ke dalam subbab materi, yaitu pengertian dan pengaruh viskositas, jenis aliran fluida, bilangan reynold, pengertian dan pengaruh temperatur, serta hubungan kecepatan tetesan minyak terhadap hukum stoke.

1.4. Rumusan Masalah

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini, kami merumuskan masalah sebagai berikut.

1 Apa pengertian dan pengaruh viskositas terhadap kecepatan tetesan minyak?

2 Apa pengertian dan pengaruh temperatur terhadap kecepatan tetesan minyak?

3 Bagaimana hubungan bilangan reynold dengan kecepatan tetesan minyak sehingga menimbulkan jenis-jenis aliran?

4 Bagaimana cara penurunan hukum stoke sehingga memiliki hubungan dengan kecepatan tetesan minyak?

1.5. Hipotesis

Viskositas air dan temperatur pada fluida dapat mempengaruhi kecepatan tetesan minyak karena memenuhi persamaan hukum stoke dan bilangan reynold sehingga perubahannya dapat menimbulkan perbedaan jenis aliran.

1.6. Metodologi Penulisan

Dalam mencari informasi untuk membuat makalah ini, kami melakukan studi pustaka. Studi pustaka ini terdiri dari membaca buku yang ada di perpustakaan, mencari informasi dari internet, dan bertanya kepada orang lain tentang solusi dari masalah pengaruh viskositas air dan temperatur ini.

1.7. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan dalam penyusunan makalah ini adalah :

Bab I merupakan bagian pendahuluan. Bab ini menjelaskan latar belakang, tujuan penulisan, batasan masalah, rumusan masalah, hipotesis, metodologi, dan sistematika penulisan. Selanjutnya, Bab II merupakan bagian isi. Bagian ini membahas tentang pengertian viskositas, jenis-jenis aliran fluida, pengertian bilangan reynold, penurunan hukum stokes dengan kecepatan tetesan minyak, pengaruh viskositas terhadap kecepatan tetesan minyak dan pengaruh temperatur terhadap kecepatan tetesan minyak. Bab III merupakan bagian penutup. Bab ini memuat kesimpulan atas masalah yang muncul dan hipotesis yang telah dibuat.

BAB II

PENGARUH VISKOSITAS AIR DAN TEMPERATUR TERHADAP KECEPATAN TETESAN MINYAK

2.1. VISKOSITAS.

Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur, hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut.

Makin kental suatu cairan, makin besar gaya yang dibutuhkan untuk membuatnya mengalir pada kecepatan tertentu. Bila viskositas gas meningkat dengan naiknya temperatur, maka viskositas cairan justru akan menurun jika temeratur dinaikan. Fluiditas dari suatu cairan yang merupakan kebalikan dari viskositas akan meningkat dengan makin tingginya temperatur. Cara menentukan viskositas suatu zat menggunakan alat yang dinamakan viskometer.

Kita definisikan viskositas fluida, dinotasikan dengan ᶯ (“eta”) sebagai rasio tegangan geser, F/A, dengan laju tegangan :

clip_image004[1]

Fluida yang mengalir dengan mudah seperti air atau minyak tanah, memiliki viskositas yang lebih kecil daripada cairan kental seperti madu atau oli motor. Viskositas seluruh fluida sangat tergantung pada suhu, bertambah untuk gas, dan berkurang untuk cairan saat suhu meningkat (Welty, 2004).

2.2. ALIRAN FLUIDA.

Aliran dalam fluida dibedakan atas 2 jenis:

1. Aliran Laminar

Aliran Laminar merupakan aliran non turbulen suatu cairan kental yang tidak bertekanan pada lapisan di dekat suatu ujung yang gerakannya terarah, lancar, dan alirannya mulus serta semua partikel cairan bergerak membentuk garis terpisah dan bebas (secara paralel), contohnya ialah aliran lambat pada cairan kental. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antar lapisan. Aliran laminar ini mempunyai ciri-ciri sebagai berikut

- Terjadi pada kecepatan rendah

- Fluida cenderung mengalir tanpa adanya pencampuran lateral

- Berlapis-lapis seperti kartu

- Tidak ada arus tegak lurus arah aliran

- Tidak ada pusaran

- Untuk fluida yang mengalir secara laminar berlaku persamaan:

- A1V1=A2V2

Dimana:

A1 = Luas Penampang daerah 1;

A2 = Luas penampang daerah 2;

V1 = Kecepatan aliran pada daerah 1;

V2 = Kecepatan aliran pada daerah;

2. Aliran Turbulen

Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian 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. Aliran turbulen mempunyai ciri-ciri sebagai berikut :

- Terjadi lateral mixing

- Secara keseluruhan arah aliran tetap sama

- Distribusi kecepatan lebih seragam

Penerapan dari aliran turbulen ini salah satunya adalah dalam faktor gesekan darcy untuk saluran pipa yang terisi penuh oleh air dengan nilai bilangan Reynolds melebihi 4000, faktor gesekan Darcy didefinisikan sebagai:

clip_image005[1]

atau

clip_image006[1]

di mana:

  • f adalah faktor gesekan Darcy
  • clip_image007[1]adalah ketinggian kekasaran
  • Dh adalah diameter hidrolik; untuk pipa bulat dengan air terisi penuh, nilainya sama dengan diameternya
  • Rh adalah jari-jari hidrolik; untuk pipa bulat dengan air terisi penuh, nilainya sama dengan seperempat diameternya
  • Re adalah bilangan Reynolds

Faktor gesekan darcy ini disebabkan karena tekanan dalam pipa yang hilang akibat gesekan dari permukaan pipa yang kasar sehingga terjadi pergerakan acak aliran air didalamnya

.

2.3. BILANGAN REYNOLD.

Bilangan reynold digunakan untuk mengidentifikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. Aliran laminar terbentuk bila kecepatan aliran adalah rendah hingga bilangan Reynolds < 2000. aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen dalam rentang bilangan Reynolds > 3000. pada rentang 2000<Ren<3000, aliran sistem pertengahan terbentuk.

Rumus umum bilangan Reynolds adalah:

clip_image009[1]

dengan:

  • vs – kecepatan terminal fluida,
  • L – panjang karakteristik wadah,
  • μ – viskositas fluida,
  • ρ – kerapatan (densitas) fluida.

2.4 HUKUM STOKES DALAM HUBUNGANNYA DENGAN KECEPATAN TETESAN MINYAK.

hukum Stokes untuk gaya gesekan – juga disebut gaya tarikan yang bekerja pada partikel berbentuk bola dengan bilangan Reynolds yang sangat kecil. Bilangan reynolds dikatakan sangat kecil karena partikel minyak yang berukuran sangat kecil. Hukum stokes pada intinya tentang gerak bola dalam fluida yang kental yang memiliki viskositas menimbulkan gaya gesek sebesar:

F d = 6clip_image011[4] Vr

Dimana Fd adalah gaya gesek dari cairan pada bola, V adalah
kecepatan bola relatif terhadap fluida, clip_image013[2] adalah koefisien viskositas dan r adalah jari-jari bola. Dengan menggunakan persamaan ini, bersama dengan persamaan terkenal lainnya fisika, kita dapat menulis ekspresi yang manyatakan tingkat di mana bola jatuh dari keadaan diam, dalam bentuk cairan kental. Untuk memulainya, kita harus menggambar diagram bebas dari partikel berbentuk bola tersebut. Pertama-tama kita mensketsa partikel tersebut dalam sebuah sistem, kemudian menguraikan gaya luar dan gaya yang bekerja didalam sistem.

clip_image014[1]clip_image015[1]

Gaya gesek (Fd)

clip_image016[1]clip_image017[1]

Gaya gravitasi (W)

Gaya Apung (Fb)

clip_image019[1]

Dari gambar diatas, maka kita mendapatkan tiga gaya yang bekerja dalam sistem tersebut, yaitu Fb, Fd, mg. dari persamaan diatas, maka terdapat dua gaya yang bekerja searah (W, Fd) dan satu gaya yang bekerja dengan arah berlawanan (Fb). pada saat kondisi setimbang, maka gaya yang bekerja pada sistem diatas adalah(penguraian berdasarkan arah gerak, yaitu keatas):

clip_image021[1]

Fb – Fd – W = 0

Fb = Fd + W

Kita tahu bahwa gaya apung (Fb) suatu benda bergantung pada volume benda tersebut. Oleh karena itu kita cari rumus persamaan dari pertikel tersebut. Karena partikel tersebut dianggap sebagai sebuah bola, maka:

Vbola = clip_image023[8]

Dengan menggabungkan masa jenis fluida dengan volume parikel, maka kita dapat menulis sebuah persamaan suatu gaya apung sebagai sebagai berikut:

mdf = clip_image025[6]fluida x Vbola …………………..1

Fb = mdf x g ……………………………2

Dari kedua persamaan diatas, maka;

Fb = clip_image025[7]fluida x Vbola x g

Fb = clip_image025[8]fluida x clip_image023[9] x g

Dimana g menyatakan percepatan gravitasi yang bekerja dalam sistem dan r menyatakan jari-jari dari pertikel yang diasumsikan berbentuk bola tersebut. Karena adanya gaya gravitasi yang bekerja pada partikel tersebut, maka kita dapat menguraikan gaya tersebut sebagai berikut:

mbola= clip_image027[6] bola x Vbola …………………1

Dari persamaan diatas, maka:

mg = clip_image027[7] bola x Vbola x g

Dengan mensubstitusi persamaan volume dari bola, maka:

W = mg

W = clip_image027[8] bola x clip_image023[10] x g

Kemudian dengan menggabungkan semua persamaan yang ada, maka:

Fb = Fd + W

[ clip_image025[9]fluida x clip_image023[11] x g ] = mg + [ 6clip_image011[5] Vr]

[ clip_image025[10]fluida x clip_image023[12] x g ] = clip_image027[9] bola x clip_image023[13] x g + [ 6clip_image011[6] Vr]

6clip_image011[7] Vr = [clip_image027[10] fluida x clip_image023[14] x g] – [ clip_image025[11]bola x clip_image023[15] x g ]

V = clip_image029[1]

V = clip_image031[1]

Hipotesis Hukum Stokes ‘didasarkan atas:

1) Partikel minyak berbentuk bola.

2)Bentuk alirannya merupakan aliran laminar.

3) Bilangan Reynolds selalu didefinisikan sekecil mungkin.

Dari hipotesis diatas, maka kita ketahui bahwa hukum stokes ini hanya bekerja pada aliran laminar saja, dimana aliran laminar ini didefinisikan sebagai kondisi dimana partikel fluida bergerak lurus melalui lamina-lamina (lapisan-lapisan cairan). Keadaan ini akan berakhir dengan timbulnya pergerakan secara acak dari pertikel tersebut (aliran turbulen). Oleh karena itu, pada kondisi akhir, digunakan perhitungan dengan bilangan reynold seperti berikut:

NR = clip_image033[1]

Simak

Dimana NR adalah bilangan reynolds, clip_image027[11] fluida adalah densitas dari fluida, V adalah kecepatan fluida relatif terhadap pertikel, L adalah panjang karakteristik suatu wadah (diameter wadah) dan clip_image013[3] adalah koefisien viskositas. Penerapan dari bilangan reynolds dalam masalah fluida adalah untuk menentukan jenis aliran fluida, apakah aliran tersebut merupakan aliran laminar atau aliran turbulen. Pada kasus dimana terdapat cairan kental yang mengalir disekitar partikel berbentuk bola, hukum stokes akan bernilai benar asalkan nilai dari bilangan reynolds kurang dari 2000 (aliran laminar) . Oleh karena itu, kegunaan bilangan reynolds sangat sesuai untuk menguji kebenaran dari hukum stokes.

2.4.1. PENGARUH VISKOSITAS AIR TERHADAP KECEPATAN TERMINAL.

Dari persamaan hukum stokes diatas, kita dapat melihat bahwa kecepatan terminal berbanding terbalik dengan koefisien viskositas, atau dapat ditulis dengan persamaan:

Vtclip_image035[2]

Maka, dapat digambar dalam suatu grafik antara kecepatan terminal (Vt) dan viskositas (clip_image037[1] sebagai berikut:

Vt

clip_image039[4]

clip_image040[1]

Dimana kondisi kecepatan terminal dan koefisien viskositasnya tidak pernah mencapai 0 (dapat dilihat dari grafik).

2.4.2. PENGARUH TEMPERATUR TERHADAP KECEPATAN TERMINAL.

Sebelum membahas tentang pengaruh dari temperatur terhadap kecepatan terminal, kita akan membahas perngaruh viskositas terhadap temperatur seperti yang ditunjukkan dalam tabel:

 
  clip_image043[1]

Dari tabel diatas dapat kita lihat bahwa semakin besar suhu air, maka semakin kecil pula viskositas dari dari tersebut, oleh karena itu dapat kita simpulkan bahwa suhu berbanding terbalik dengan viskositas.

Kemudian, berdasarkan hukum stokes, kita telah membuktikan bahwa kecepatan terminal berbanding terbalik dengan viskositas. Jika dikaitkan dengan pernyataan kita bahwa temperatur berbnding terbalik dengan viskositas, maka kita akan dapatkan bahwa semakin besar temperatur, maka semakin kecil pula viskositas dan jika viskositas semakin kecil, maka kecepatan terminal akan semakin besar. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa temperatur berbanding lurus dengan kecepatan terminal. Untuk menunjukkan hubungan viskositas dan temperatur, kita menerapkan hukum distribusi Maxwell-Boltzmann, jumlah molekul yang memiliki energy yang diperlukan untuk mengalir, dihubungkan oleh factor e-E/RT dan viskositas sebanding dengan e-E/RT. Secara kuantitatif pengaruh suhu terhadap viskositas dinyatakan dengan persamaan empirik,

clip_image039[5] = A e-E/RT

Dengan:

A = tetapan cairan.

(-E) = Energi ambang permol

R = konstanta boltzmann

T = temperatur (Kelvin)

Oleh karena itu, semakin besar temperatur, maka koefisien viskositasnya akan semakin kecil dengan perbandingan:

clip_image039[6] ≈ e1/T

Oleh karena itu, dengan mengetahui kedua perbadingannya, maka:

Vtclip_image035[3]

clip_image039[7] ≈ e1/T

Maka;

Vtclip_image045[1]

Vtclip_image047[1]

Dapat ditunjukkan dengan grafik sebagai berikut:

T

Vt

clip_image049[1]

Oleh karena itu, dari data dan grafik diatas kita dapat menyimpulkan bahwa viskositas berbanding terbalik dengan kecepatan terminal dan temperatur berbanding lurus dengan kecepatan terminal.

BAB III

PENUTUP

3.1.KESIMPULAN

Kecepatan tetesan minyak dipengaruhi oleh viskositas air dan temperatur. Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas zat cair cenderung menurun seiring dengan bertambahnya kenaikan temperatur. Sehingga, kecepatan tetesan minyak pada saat tetesan minyak akan naik ke atas permukaan berbanding lurus dengan temperatur dan berbanding terbalik dengan viskositas air. Hal ini berasal dari turunan hukum stoke dan persamaan hukum stoke dapat dituliskan dengan sebagai salah satu aplikasi hukum stoke, yaitu clip_image051[1] Kemudian, hukum stoke dapat dibuktikan kebenarannya dengan menggunakan bilangan Reynolds. Selain sebagai pembuktian hukum stoke, bilangan Reynolds dapat menentukan jenis aliran suatu fluida.

DAFTAR PUSTAKA

Ø http://www.grc.nasa.gov/WWW/BGH/reynolds.html (29 November 2010, 02.10)

Ø http://www.kamusilmiah.com/mesin/meredam-turbulensi-membuat-air-mengalir-jauh-lebih-cepat/ (29 November 2010, 02.35)

Ø Oil-in-Water Separation, from the state-of-the-art to ZerOil Technology, http://www.etnausa.com/zertech.pdf

Ø Fouz, Infaz (2001), Fluid Mechanics, Mechanical Engineering Dept., University of Oxford, hlm. hlm.96

Ø Hughes, Roger (1997), Civil Engineering Hydraulics, Civil and Environmental Dept., University of Melbourne, hlm. hlm.107-152

Ø Jermy, M. (2005), Fluid Mechanics A Course Reader, hlm.d5.10: Mechanical Engineering Dept., University of Canterbury

Ø Rott, N. (1990), “Note on the history of the Reynolds number”, Annual Review of Fluid Mechanics 22: hlm. 1–11

Zagarola, M.V.; Smits, A.J. (1996), “Experiments in High Reynolds Number Turbulent Pipe Flow”, AIAApaper #96-0654, 34th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, Nevada, January 15 – 18, 1996

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Tag Cloud

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: