sifat-sifat fluida

1.  Sifat-Sifat Fluida

Semua fluida nyata (gas dan zat cair) memiliki sifat-sifat khusus yang dapat  diketahui,            antara          lain:      rapat      massa              (density),    kekentalan   (viscosity), kemampatan (compressibility), tegangan permukaan (surface tension), 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  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.

a.  Rapat Massa, Berat Jenis dan Rapat Relatif

Rapat massa(rho) adalah ukuran konsentrasi massa zat cair dan dinyatakan dalam bentuk massa (m) persatuan volume (V).

Rho= m/v

            Dimana:

M = massa (kg) V = volume (m3)

Rapat massa air (rho air) pada suhu 4 oC dan pada tekanan atmosfer (patm) adalah  1000  kg/m3. Berat  jenis  (g  )  adalah  berat  benda  persatuan  volume  pada temperatur dan tekanan tertentu, dan berat suatu benda adalah hasil kali antara rapat massa     (rho) dan percepatan gravitasi (g).

Dimana :

Y = berat jenis (N/m3)

R = rapat massa (kg/dt2)

(2)

g = percepatan gravitasi (m/dt2)

Rapat relatif (s) adalah perbandingan antara rapat massa suatu zat () dan rapat massa air (air), atau perbandingan antara berat jenis suatu zat () dan berat jenis air (   air).

(3) Karena pengaruh temperatur dan tekanan pada rapat massa zat cair sangat

kecil, maka dapat diabaikan sehingga rapat massa zat cair dapat dianggap tetap.

b. Kekentalan (viscocity)

Kekentalan adalah sifat dari zat cair untuk melawan tegangan geser () pada waktu  bergerak atau mengalir. Kekentalan disebabkan adanya kohesi antara partikel  zat        cair  sehingga                menyebabkan                adanya               tegangan geser           antara molekulmolekul yang bergerak. Zat cair ideal tidak memiliki kekentalan. Kekentalan zat cair dapat dibedakan menjadi dua yaitu kekentalan dinamik () atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis ().

Dalam beberapa  masalah mengenai gerak zat cair,  kekentalan dinamik

dihubungkan dengan kekentalan kinematik sebagai berikut:

                                                                                                                       (4)

dengan adalah rapat massa zat cair (kg/m3).

Kekentalan kinematik  besarnya  dipengaruhi  oleh  temperatur  (T),  pada temperatur  yang tinggi kekentalan kenematik zat cair akan relatif kecil dan dapat diabaikan.

Zat cair  Newtonian  adalah  zat  cair  yang  memiliki  tegangan  geser  (t)

sebanding dengan  gradien  kecepatan  normal  (  terhadap  arah  aliran.  Gradien kecepatan  adalah  perbandingan  antara  perubahan  kecepatan dan  perubahan jarak tempuh aliran (Gambar 1). Hubungan tegangan geser dan gradien kecepatan normal dari beberapa bahan dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 1 Gradien Kecepatan

Gambar 2 Hubungan Tegangan geser dengan gradien kecepatan

Bila fluida Newtonian dan aliran yang terjadi adalah laminer maka berlaku hubungan:

                                                                           (5)

dimana :

  = tegangan geser (kg/m2)

  = kekentalan dinamis (kg/m.det)   = kekentalan kinematis (m2/det)   = densitas fluida (kg/m3)

= gradien kecepatan

c.  Kemampatan (compressibility)

Kemampatan   adalah    perubahan    volume    karena    adanya    perubahan (penambahan) tekanan, yang ditunjukan oleh perbandingan antara perubahan tekanan dan perubahan volume terhadap volume awal. Perbandingan tersebut dikenal dengan modulus elastisitas (k).

                                                                                                           (6) Nilai k untuk zat air sangat besar yaitu 2,1 x 109  N/m, sehingga perubahan

volume karena perubahan tekanan akan sangat kecil dan dapat diabaikan, sehingga zat cair merupakan fluida yang tidak dapat termampatkan (incompressible).

d. Tegangan permukaan (surface tension)

Molekul-molekul pada zat cair akan saling tarik menarik secara seimbang diantara sesamanya dengan gaya berbanding lurus dengan massa (m) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara pusat massa.

                                                                                                           (7)

dengan: F          = gaya tarik menarik

m1, m2    = massa molekul 1 dan 2

r              = jarak antar pusat massa molekul.

Jika zat cair bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, maka gaya tarik menarik  antara  molekul tidak  seimbang  lagi  dan  menyebabkan  molekul-molekul pada permukaan zat cair  melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja yang dilakukan oleh molekul-molekul pada permukaan zat cair tersebut dinamakan  tegangan  permukaan  (σ).  Tegangan  permukaan  hanya  bekerja  pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik.

e. Kapilaritas (capillarity)

Kapilaritas terjadi akibat adanya gaya kohesi dan adesi antar molekul, jika kohesi lebih kecil dari pada adesi maka zat air akan naik dan sebaliknya jika lebih besar maka zat cair akan  turun. Kenaikan atau penurunan zat cair di dalam suatu

tabung  dapat  dihitung  dengan  menyamakan  gaya  angkat  yang  dibentuk  oleh tegangan permukaan dengan gaya berat.

Gambar 3. Kenaikan dan Penurunan Kapilaritas

Untuk perhitungan secara matematisnya yaitu:

                                                                                              (8) Dimana:

h = kenaikan atau penurunan zat cair

 = tegangan permukaan

 = berat jenis zat cair

 = akan sama dengan 0o  untuk air dan 140o  untuk air raksa r = jari-jari tabung

2.  Aplikasi Mekanika Fluida di Bidang Teknik Lingkungan

Ahli teknik yang bergerak di bidang teknik lingkungan (environmental engineering)  akan berurutan dengan struktur, peralatan, dan sistem yang dirancang untuk  melindungi  dan   meningkatkan  kualitas  lingkungan  dan  melindungi  dan meningkatkan derajat kesehatan masyarakat dan kesejahteraan.

Sebagi  contoh   seorang   ahli   teknik   lingkungan   melakukan   kegiatan perencanaan,  perancangan, pembangunan dan pengoperasian bangunan pengolahan limbah dan pencegahan  pencemaran di badan air. Dengan kata lain bangunan ini dibangun  untuk  melindungi  dan  meningkatkan  kualitas  air.  Seorang  ahli  teknik lingkungan  juga  membangun  dan  mengoperasikan  bangunan  pengolahan  limbah,