Viskositas

VISKOSITAS

 

Viskositas adalah ukuran hambatan aliran yang ditimbulkan fluida bila fuida tersebut mengalami tegangan geser. Biasanya diterima sebagai "kekentalan", atau penolakan terhadap penuangan. Viskositas menggambarkan penolakan dalam fluida kepada aliran dan dapat dipikir sebagai sebuah cara untuk mengukur gesekan fluida.  Air memiliki viskositas rendah, sedangkan minyak sayur memiliki viskositas tinggi.

Besar gaya F yang diperlukan untuk menggerakkan suatu lapisan fluida dengan kelajuan tetap v untuk luas A dan letaknya pada jarak y dari suatu permukaan yang tidak bergerak dinyatakan oleh penurunan rumus :

    F = η A

Keterangan :

η   = koefisien viskositas

Av = besar gaya F yang diperlukan untuk menggerakkan suatu lapisan fluida

y   = letak sesuatu dari permukaan yang tidak bergerak

Satuannya kg m-1 s-1.

Catatan pada viskositas :

1. Aliran viskositas (viscous flow). Dalam berbagai masalah keteknikan pengaruh dari viskositas pada aliran adalah kecil, dan dengan demikian diabaikan. Cairan kemudian dinyatakan sebagai tidak kental (invicid) atau, seringkali, ideal, dan µ diambil sebesar nol. Tetapi kalau istilah aliran viskos dipakai, ini berarti bahwa viskositas tidak diabaikan.

2. Kecepatan (velocity). Dalam aliran viskos hokum dasarnya adalah bahwa kecepatan fluida pada tepi batas harus sama dengan kecepatan dari tepi batas itu. Sebaliknya, ada gradient kecepatan sangat kecil di sebelah tepi batas dan, karena

R =  µA , suatu tegangan geseran tak hingga.

3. Tegangan geser (shear strength). Telah diketahui benar bahwa cairan yang tidak bergerak tidak memiliki tegangan geser, karena dalam keseluruhan mereka berubah bentuk untuk mengisi tempatnya, bagaimanapun juga bentuknya. Akan tetapi, ketika sedang bergerak, mereka mempunyai tegangan geser, karena kalau R adalah hambatan viskosnya yang terjadi meliputi luas A tegangan geser adalah

  = µ  .

4. Dimensi-dimensi dariµ. Karena hambatan viskos, R =  µA , µ mempunyai dimensi-dimensi dari tegangan dibagi dengan gradient kecepatan yaitu:

(MT^-2L^-1) ÷ (LT^-1/L) = ML^-1T^-1

Cara lain untuk melukiskan satuan-satuan ini didapatkan dengan menyatakan µ dalam bentuk µ =  , darimana mereka dapat didefinisikan sebagai NS/m² , yaitu :

1kg/ms = 1 Ns/m²

Dalam system c.g.s. satuan-satuan dari µ adalah poise, yang sama dengan 1 g/(cm detik). Jadi:

1 kg/ms = 10 poise = 1000 centipoise.

5. Koefisien viskositas kinematis (Coeficient of kinematic viscosity), v(nu), didefinisikan sebagai v =  . V diukur dengan m²/s atau dalam Stokes, 1 Stoke adalah 1 cm2/s, dan hubungan antara keduasatuanini:

1 centistoke (cSt) = 10^-6 m²/s

Dimana1 Stoke = 100 centistokes.

6. Hambatanviskos (viscos drag). RumusR =  µAdapat dipakai pada gerak relative dua silinder konsentris (dengan cairan diantaranya) dari diameter yang hamper sama . Ini mirip dengan rencana keteknikan biasa , yang terdapat misalnya, pada poros, dilumasi dengan minyak, berputar di dalam bantalannya.

II.            KONSEP VISKOSITAS

Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Jadi molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek-menggesek ketika fluida fluida tersebut mengalir. Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul (Bird, 1993).

Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air. Sebaliknya, fluida yang lebih kental biasanya lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu, dan lain-lain. Hal ini bias dibuktikan dengan menuangkan air dan minyak goreng diatas lanyai yang permukaannya miring. Pasti hasilnya air lebih cepat mengalir dari pada minya goreng atau oli. Tingkat kekentalan suatu fluida  juga bergantung pada suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut. Misalnya ketika ibu menggoreng ikan di dapur, minyak goreng yang awalnya kental, berubah menjadi lebih cair ketika dipanaskan. Sebaliknya, semakin tinggi suhu suatu zat gas, semakin kental zat gas tersebut.

Perlu diketahui bahwa viskositas atau kekentalan hanya ada pada fluida rill (rill = nyata). Fluida rill / nyata adalah fluida yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, seperti air sirup, oli, asap knalpot, dan lainnya. Fluida rill berbeda dengan fluida ideal. Fluida ideal sebenarnya tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Fluida ideal hanya model yang digunakan untuk membantu kita dalam menganalisis aliran fluida (fluida ideal ini yang kita pakai dalam pokok bahasan fluida dinamis) (Bird, 1993).

Satuan system internasional (SI) untuk koifisien viskositas adalah Ns/m² = Pa.S (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk SI koifisien viskositas adalah dyn.s/cm² = poise (p). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipolse (cp). 1 cp = 1/1000 p. satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Prancis, almarhum Jean Louis Marie Poiseuille.

            1 poise = 1 dyn. s/cm² = 10^-1 N.s/m²

Fluida adalah gugusan molukel yang jarak pisahnya besar, dan kecil untuk zat cair. Jarak antar molukelnya itu besar jika dibandingkan dengan garis tengah molukel itu. Molekul-molekul itu tidak  terikat pada suatu kisi, melainkan saling bergerak bebas terhadap satu sama lain. Jadi kecepatan fluida atau massanya kecapatan volume tidak mempunyai makna yang tepat sebab jumlah molekul yang menempati volume tertentu terus menerus berubah (while, 1988).

Fluida dapat digolongkan kedalam cairan atau gas. Perbedaan-perbedaan utama antara cair dan gas adalah :

a.    Cairan praktis tidak kompersible, sedangkan gas kompersible dan seringkali harus diperlakukan demikian.

b.    Cairan mengisi volume tertentu dan mempunyai permukaan-permukaan bebas, sedangkan agar dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadah tempatnya (While, 1988).

III.           PENGUKURAN VISKOSITAS

Peralatan untuk mengukur viskositas disebut viscometer. Terdapat berbagai jenis viscometer yang berbeda, tetapi, karena sasaran makalah ini adalah untuk membuktikan prinsip-prinsip tertentu dari hidrolika, bukan untuk menjelaskan permesinan hidrolik dan peralatannya, makahal ini dapat dicari pada sumber lain. Untuk mempermudah, disebutkan tiga cara untuk menentukan µ, yaitu:

a.    Dengan viscometer torsi

Rumus R =  µA  dipakai pada silinder konsentris.

b.    Dengan viscometer Ostwald

Pada viscometer Ostwald yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sejumlah tertentu cairan untuk mengalir melalui pipa kapiler dengan gaya yang disebabkan oleh berat cairan itu sendiri. Pada percobaan sebenarnya, sejumlah tertentu cairan (misalnya 10 cm³, bergantung pada ukuran viscometer) dipipet kedalam viscometer. Cairan kemudian dihisap melalui labu pengukur dari viscometer sampai permukaan cairan lebih tinggi daripada batas a. cairan kemudian dibiarkan turun ketika permukaan cairan turun melewati batas a, stopwatch mulai dinyalakan dan ketika cairan melewati tanda batas b, stopwatch dimatikan. Jadi waktu yang dibutuhkan cairan untuk melalui jarak antara a dan b dapat ditentukan. Tekanan ρ merupakan perbedaan antara kedua ujung pipa U dan besarnya disesuaikan sebanding dengan berat jenis cairan (Respati,1981).

Berdasarkan hokum Heagen Poisuille :

Dimana :

p =          tekanan hidrostatis

r  =          jari-jari kapiler

t  =          waktu aliran zat cair sebanyak volume V dengan beda tinggi h

L =          panjang kapiler

Untuk air :

Ŋair = πρr⁴ . ta . pa.g.h / ( 8VL)

Secara umum berlaku :

Ŋx = πρr⁴ . tx . px.g.h / ( 8VL)

Jika air digunakan sebagai pembanding, maka :

Ŋx / ŋair = tx.ρx / taρa

c.    Dengan hokum stokes untuk bola jatuh.

Rumus Stokes:

Dimana F adalah hambatan yang dialami oleh bola sangat kecil dengan jari-jari r yang jatuh bebas melalui cairan yang viskositasnya µ dengan keceptan v. Rumus Stokes hanya berlaku bila Reynolds untuk aliran kurang dari (sekitar) 1, bilangan Reynolds didefinisikan sebagai :

Dimana d adalah diameter dari bola. Dengan kata lain, rumus Stokes hanya berlaku pada kecepatan sangat kecil, tetapi bagaimana kecilnya juga tergantung pada v dan d.

Arti dari bilangan Reynolds kritis R_e = 1 , adalah bahwa R_e 1 aliran melalui bola adalah viskos dan hambatan pada gerakan adalah hambatan viskos, dimana pada R_e  1 aliran melalui bola adalah turbulen dan hambatan pada gerakan adalah campuran dari gesekan dan hambatan bentuk akibat aliran turbulen.

d.    Viscometer cup dan Bob

Prinsip kerjanya sampel digeser dalam ruangan antara dinding luar Bob dan dinding dalam dari cup dimana bob masuk persis ditengan-tengah. Kelemahan viscometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan gesekan yang tinggi disepanjang keliling bagian tube sehingga menyebabkan penemuan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini menyebebkan bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini disebut aliran sumbat (Bird, 1993).

e.    Viscometer Cone dan Plate

Cara pemakaiannya adalah sampek yang ditempatkan di tengah-tengah papan, kemudian dinaikkan hingga posisi dibawah kerucut. Kerucut digerakkan oleh motor dengan bermacam kecepatan dan sampelnya digeser didalam ruang sempit antara papan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar (Bird, 1993).

f.     Viscometer hoppler

Pada viscometer ini yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan oleh sebuah bola logam untuk melewati cairan setinggi tertentu. Suatu benda karena adanya gravitasi akan jatuh melalui medium yang berviskositas (seperti cairan misalnya), dengan kecepatan yang semakin besar sampai mencapai kecepatan maksimum. Kecepatan maksimum akan tercapai bila gravitasi sama dengan fictional resistance medium (Bird,1993).

Berdasarkan hokum stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi keseimbangan sehingga : gaya gesek = gaya berat, gaya Archimedes :

6πrV_max = 4/3 r³ (ρ_bola – ρ_cair) g

Ŋ = { 2/g r³ (ρ_bola – ρ_cair) g } / V_max

V_max = h / t

Dimana :

t = waktu jatuh bola pada ketinggian h

Dalam percobaan ini dipakai cara relative terhadap air, harganya :

Ŋa = [ 2/g r² (ρ_a – ρ₁) g ta ] / h

Ŋx = [ 2/g r² (ρ_x– ρ₁) g tx ] / h

Ŋx/ Ŋa = [ (ρ_x – ρ₁) g tx ] / [ (ρ_a – ρ₁) g ta ]

IV.          FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI VISKOSITAS

Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas :

1.             Suhu

Viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Jika suhu naik maka viskositas akan turun, dan begitu sebaliknya. Hal ini disebabkan karena adanya gerakan partikel-partikel cairan yang semakin cepat apabila suhu ditingkatkan dan menurun kekentalannya.

2.            Konsentrasi larutan

Viskositas berbanding lurus dengan konsentrasi larutan. Suatu larutan dengan konsentrasi tinggi akan memiliki viskositas yang tinggi pula, karena konsentrasi larutan menyatakan banyaknya partikel zat yang terlarut tiap satuan volume. Semakin banyak partikel yang terlarut, gesekan antar partikrl semakin tinggi dan viskositasnya semakin tinggi pula.

3.            Berat molekul solute

Viskositas berbanding lurus dengan berat molekul solute. Karena dengan adanya solute yang berat akan menghambat atau member beban yang berat pada cairan sehingga manaikkan viskositas.

4.            Tekanan

Semakin tinggi tekanan maka semakin besar viskositas suatu cairan.

V.           VISKOSITAS DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI

1.     Teori Dasar Viskositas merupakan suatu sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Viskositas sering diartikan sebagai kekentalan. Viskositas sebenarnya disebabkan oleh kohesi dan pertukaran momentum molekuler di antara lapisan-lapisan fluida dan pada waktu berlangsungnya aliran, efek ini terlihat sebagai tegangan tangensial atau tegangan geser di antara lapisan yang bergerak. Akibat adanya gradien kecepatan, akan menyebabkan lapisan fluida yang lebih dekat pada plat yang bergerak, dan akan diperoleh kecepatan yang lebih besar dari lapisan yang lebih jauh. Cairan yang mempunyai viskositas lebih tinggi akan lebih lambat mengalir didalam pipa dibandingkan cairan yang viskositasnya lebih rendah. Sebuah benda yang bergerak dalam fluida yang punya viskositas lebih tinggi mengalami gaya gesek viskositas yang lebih besar daripada jika benda tersebut bergerak didalam fluida yang viskositasnya lebih rendah. Tujuan mempelajari viskositas ini adalah memahami bahwa benda yang bergerak di dalam fluida akan mendapatkan gesekan yang disebabkan oleh kekentalan fluida tersebut. Selain itu, dapat menentukan koefisien kekentalan dari fluida. Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas antara lain adalah koefisien kekentalan zat cair itu sendiri, massa jenis dari fluida tersebut, bentuk atau besar dari partikel fluida tersebut, karena cairan yang partikelnya besar dan berbentuk tak teratur lebih tinggi dari pada yang partikelnya kecil dan bentuknya teratur. Selain itu juga suhu, semakin tinggi suhu cairan semakin kecil viskositasnya, semakin rendah suhunya maka semakin besar viskositasnya.

2.     Aplikasi Teori Aplikasi dari viskositas adalah pelumas mesin. Pelumas mesin ini biasanya kita kenal dengan nama oli. Oli merupakan bahan penting bagi kendaraan bermotor. Oli yang dibutuhkan tiap-tiap tipe mesin kendaraan berbeda-beda karena setiap tipe mesin kendaraan membutuhkan kekentalan yang berbeda-beda. Kekentalan ini adalah bagian yang sangat penting sekali karena berkaitan dengan ketebalan oli atau seberapa besar resistensinya untuk mengalir. Sehingga sebelum menggunakan oli merek tertentu harus diperhatikan terlebih dahulu koefisien kekentalan oli sesuai atau tidak dengan tipe mesin. Memilih dan menggunakan oli yang baik dan benar untuk kendaraan bermotor merupakan langkah tepat untuk merawat mesin dan peralatan kendaraan agar tidak cepat rusak dan mencegah pemborosan. Masyarakat umum beranggapan bahwa fungsi utama oli hanyalah sebagai pelumas mesin. Padahal oli memiliki fungsi lain, yakni sebagai pendingin, pelindung karat, pembersih dan penutup celah pada dinding mesin. Sebagai pelumas mesin oli akan membuat gesekan antar komponen didalam mesin bergerak lebih halus dengan cara masuk kedalam celah-celah mesin, sehingga memudahkan mesin untuk mencapai suhu kerja yang ideal. Viskositas dari oli sangat diperhitungkan untuk meminimalisir gaya gesek yang ditimbulkan oleh mesin yang bergerak dan terkontak satu terhadap yang lain sehingga mencegah terjadinya keausan. Pada permesinan bagian yang paling sering bergesekan adalah piston, ada banyak bagian lain namun gesekannya tak sebesar yang dialami piston. Disinilah kegunaan oli. Oli memisahkan kedua permukaan yang berhubungan sehingga gesekan pada piston diperkecil. Selain itu, oli juga bertindak sebagai fluida yang memindahkan panas ruang bakar yang mencapai 1000-1600 derajat celcius ke bagian lain mesin yang lebih dingin, sehingga mesin tidak over heat (sebagai pendingin). Pembersih mesin dari sisa pembakaran dan deposit senyawa karbon yang masuk dalam ruang bakar supaya tidak muncul endapan lumpur. Teknologi mesin yang terus berkembang menuntut kerja pelumas semakin lengkap, seperti penambahan anti karat dan anti foam.  Semakin kental oli, maka lapisan yang ditimbulkan menjadi lebih kental. Lapisan halus pada oli kental memberi kemampuan ekstra menyapu atau membersihkan permukaan logam yang terlumasi. Sebaliknya oli yang terlalu tebal akan memberi resitensi berlebih mengalirkan oli pada temperatur rendah sehingga mengganggu jalannya pelumasan ke komponen yang dibutuhkan. Untuk itu, oli harus memiliki kekentalan lebih tepat pada temperatur tertinggi atau temperatur terendah ketika mesin dioperasikan karena nilai viskositas masing-masing oli akan berkurang jika suhu cairan dinaikkan. Suhu semakin tinggi diikuti makin rendahnya viskositas oli atau sebaliknya. 

 

Beberapa kriteria yang penting yang harus dipenuhi oleh oli antara lain :

1.         Viskositas harus cukup kental untuk menahan agar bagian peralatan yang bergerak relatif terpisah, tetapi juga harus mencegah kebocoran dari segel.

2.         Fluida harus cukup pada saat awal yaitu pada saat peralatan masih dingin.

3.         Dapat membentuk film yang cukup kuat untuk pelumasan perbatasan.

4.         Tahan terhadap oksidasi suhu tinggi.

5.         Mengandung deterjen dan dispersan cukup untuk menyerap endapan atau lumpur yanga terbentuk.

6.         Tidak membentuk emulsi dengan air yang masuk dari segel yang bocor.

 

Dengan tingkat kekentalan yang disesuaikan dengan kapasitas volume maupun kebutuhan mesin. Maka semakin kental oli, tingkat kebocoran akan semakin kecil, namun disisi lain mengakibatkan bertambahnya beban kerja bagi pompa oli. Oleh sebab itu, peruntukkan bagi mesin kendaraan Baru (dan/atau relatif baru berumur dibawah 3 tahun) direkomendasikan untuk menggunakan oli dengan tingkat kekentalan minimum SAE10W. Sebab seluruh komponen mesin baru (dengan teknologi terakhir) memiliki lubang atau celah dinding yang sangat kecil, sehingga akan sulit dimasuki oleh oli yang memiliki kekentalan tinggi.