kategori daricairanmencakup banyak zat berbeda yang dapat dibedakan satu sama lain dalam berbagai cara, termasuk komposisi kimia, polaritas, densitas, dan sebagainya. Sifat lain dari fluida adalah besaran yang dikenal sebagaiviskositas.
Apa itu Viskositas?
Misalkan Anda memiliki secangkir air dan secangkir sirup. Saat Anda menuangkan cairan dari cangkir-cangkir ini, Anda akan melihat perbedaan nyata dalam cara setiap cairan mengalir. Air mengalir keluar dengan cepat dan mudah sementara sirup mengalir lebih lambat. Perbedaan ini disebabkan oleh perbedaan viskositasnya.
Viskositas adalah ukuran resistensi fluida untuk mengalir. Ini juga dapat dianggap sebagai ukuran ketebalan cairan atau ketahanannya terhadap benda yang melewatinya. Semakin besar hambatan untuk mengalir, semakin tinggi viskositasnya, sehingga pada contoh sebelumnya sirup memiliki viskositas yang lebih tinggi daripada air.
Apa Penyebab Viskositas?
Viskositas disebabkan oleh gesekan internal antara molekul dalam cairan. Pikirkan cairan yang mengalir sebagai terdiri dari lapisan yang bergerak dalam hubungan satu sama lain. Lapisan-lapisan ini bergesekan satu sama lain, dan semakin besar gesekan, semakin lambat alirannya (atau semakin banyak gaya yang dibutuhkan untuk mencapai aliran).
Banyak faktor yang dapat mempengaruhi viskositas suatu zat; diantaranya adalah suhu. Ingat bahwa suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat. Energi kinetik rata-rata yang lebih tinggi per molekul menghasilkan molekul yang bergerak lebih cepat dan karenanya viskositas lebih rendah untuk cairan. Jika Anda menghangatkan sirup dalam microwave, misalnya, Anda mungkin memperhatikan bahwa sirup itu mengalir lebih mudah.
Untuk gas, bagaimanapun, suhu yang lebih tinggi sebenarnya menyebabkan mereka "menebal," dan viskositasnya meningkat dengan suhu. Hal ini karena untuk gas pada suhu rendah, molekul jarang bertabrakan atau berinteraksi satu sama lain, sedangkan pada suhu yang lebih tinggi lebih banyak tumbukan. Akibatnya, resistensi gas untuk mengalir meningkat.
Bentuk molekul dalam fluida juga dapat mempengaruhi viskositas. Molekul yang lebih bulat dapat berguling melewati satu sama lain lebih mudah daripada molekul dengan cabang dan bentuk yang kurang seragam. (Bayangkan menuangkan seember kelereng versus menuangkan banyak dongkrak.)
Tegangan Geser dan Tingkat Geser
Dua faktor yang berhubungan dengan rumusan matematis viskositas adalah tegangan geser dan laju geser. Untuk memahami definisi formal viskositas, pertama-tama penting untuk memahami definisi besaran-besaran ini.
Pertimbangkan metode pendekatan aliran fluida sebagai lapisan fluida yang mengalir melewati satu sama lain. Jika kita memikirkan fluida yang mengalir seperti ini, tegangan geser adalah gaya yang mendorong satu lapisan melintasi lapisan lainnya dibagi dengan luas lapisan. Secara lebih formal, ini dapat dinyatakan sebagai rasio gayaFditerapkan dengan luas penampangSEBUAHbahan yang sejajar dengan gaya yang diberikan.
Tegangan geser sering dilambangkan dengan huruf Yunani tauτ, dan karenanya ekspresi matematika yang sesuai adalah:
\tau = \frac{F}{A}
Laju geser pada dasarnya adalah laju di mana lapisan fluida bergerak melewati satu sama lain. Secara lebih formal didefinisikan sebagai berikut:
\dot{\gamma}=\frac{\Delta v}{x}
Dimanavadalah perbedaan kecepatan antara dua lapisan, danxadalah pemisahan lapisan.
Notasi dengan titik adalah karena adalah geser, dan turunan pertama (laju perubahan) suatu variabel sering dilambangkan dengan titik di atas variabel terkait. Menggunakan kalkulus, laju geser kontinu akan diberikan sebagai:dv/dxsebagai gantinya dan juga disebut sebagai gradien kecepatan.
Jenis Viskositas
Viskositas datang dalam beberapa jenis yang berbeda. Adadinamisviskositas, juga disebutmutlakviskositas, yang biasanya disebut viskositas ketika hanya mengatakan "viskositas." Tapi ada jugakinematisviskositas, yang memiliki formulasi matematika yang sedikit berbeda.
Viskositas dinamis atau absolut adalah rasio tegangan geser terhadap laju geser, seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut:
\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}}
Rumusan umum dari hubungan ini disebut persamaan Newton dan ditulis sebagai berikut:
\frac{F}{A} = \eta \frac{\Delta v}{x}
Viskositas kinematik didefinisikan sebagai viskositas absolut dibagi dengan kerapatan massa:
\nu = \frac{\eta}{\rho}
Pertimbangkan dua cairan yang mungkin memiliki viskositas dinamis yang sama, tetapi densitas massa yang berbeda. Kedua cairan ini akan mengalir keluar dari wadah dengan laju yang berbeda di bawah pengaruh gravitasi karena jumlah yang sama dari masing-masing akan memiliki gaya gravitasi yang berbeda yang bekerja pada mereka (sebanding dengan mereka massa). Viskositas kinematik memperhitungkan hal ini dengan membaginya dengan kerapatan massa, dan karenanya dapat dianggap sebagai ukuran resistensi untuk mengalir di bawah pengaruh gravitasi saja.
Satuan Viskositas
Menggunakan satuan SI, karena tegangan geser dalam N/m2 dan laju geser dalam (m/s)/m = 1/s, maka viskositas dinamis memiliki satuan Ns/m2 = Pa s (pascal-detik). Namun, satuan viskositas yang paling umum adalah dyne-detik per sentimeter persegi (dyne s/cm2) di mana 1 dyne = 10-5 N Satu dyne-detik per sentimeter persegi disebut asikap tenangsetelah ahli fisiologi Prancis Jean Poiseuille. Satu pascal-detik sama dengan 10 ketenangan.
Satuan SI untuk viskositas kinematik adalah m2/s, meskipun satuan yang lebih umum dalam sistem CGS adalah sentimeter persegi per detik, yang disebut stoke (St) setelah fisikawan Irlandia George Stokes.
Nilai Viskositas Khas
Kebanyakan cairan memiliki viskositas antara 1 dan 1.000 mPa s sedangkan gas memiliki viskositas rendah, biasanya antara 1-10 Pa s. Viskositas air sekitar 1,0020 mPa s sedangkan kekentalan darah antara 3 dan 4 mPa s (meminjam arti baru untuk pepatah bahwa darah lebih kental daripada air!)
Minyak goreng memiliki viskositas antara sekitar 25 sampai 100 mPa s, sedangkan oli motor dan oli mesin memiliki viskositas di urutan beberapa ratus mPa s.
Udara yang Anda hirup memiliki viskositas sekitar 18 Pa s.
Gelas cair adalah salah satu cairan paling kental yang ada dengan viskositas tinggi mendekati tak terhingga saat membeku. Pada titik lelehnya, viskositas kaca adalah sekitar 10 Pa s, sementara ini meningkat dengan faktor 100 pada titik kerjanya dan dengan faktor lebih dari 1011 pada titik anilnya.
Fluida Newtonian
Fluida Newtonion adalah fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus dengan laju gesernya. Dalam cairan seperti itu, viskositas untuk cairan itu adalah nilai konstan. (Dalam fluida non-Newtonian, viskositas menjadi fungsi dinamis dari variabel lain, seperti waktu.)
Tidak mengherankan, cairan Newtonion lebih mudah untuk dikerjakan dan dimodelkan. Mudahnya, banyak cairan umum adalah Newtonion dengan pendekatan yang baik. Beberapa perilaku yang mungkin ditunjukkan oleh cairan non-Newtonian termasuk cairan di mana viskositas berubah dengan laju geser, dan cairan yang menjadi kurang atau lebih kental ketika diguncang, diaduk atau terganggu.
Air dan udara adalah contoh fluida Newtonion. Contoh cairan non-Newtonian adalah cat non-tetes, beberapa larutan polimer dan bahkan darah. Salah satu cairan non-Newtonian favorit sekolah dasar adalah oobleck – campuran tepung jagung dan air yang bertindak hampir padat ketika dikerjakan dengan cepat, dan kemudian meleleh ketika dibiarkan begitu saja.
Tips
Cara membuat oobleck:Campurkan 2 bagian tepung maizena dengan 1 bagian air. Tambahkan sedikit pewarna makanan jika diinginkan. Cobalah meninju solusi atau membentuk menjadi bola dan kemudian membiarkannya meleleh di tangan Anda!
Bagaimana Mengukur Viskositas
Viskositas dapat diukur dengan beberapa cara berbeda. Ini termasuk menggunakan instrumen seperti viskometer, atau sejumlah eksperimen DIY.
Viskometer paling baik digunakan pada cairan Newtonian dan cenderung bekerja melalui salah satu dari dua cara. Entah benda kecil bergerak melalui fluida stasioner, atau fluida mengalir melewati benda stasioner. Dengan mengukur hambatan yang terkait, viskositas dapat ditentukan. Viskometer kapiler bekerja dengan cara menentukan waktu yang diperlukan untuk volume tertentu cairan mengalir melalui pipa kapiler dengan panjang tertentu. Viskometer bola jatuh mengukur waktu yang dibutuhkan bola untuk jatuh melalui sampel di bawah pengaruh gravitasi.
Untuk mengukur viskositas cairan non-Newtonian, rheometer sering digunakan. Rheologi adalah nama cabang fisika yang mempelajari aliran cairan dan padatan lunak dan mengamati bagaimana mereka berubah bentuk. Rheometer memungkinkan lebih banyak variabel ditentukan saat mengukur viskositas karena cairan non-Newtonian tidak memiliki nilai viskositas konstan. Dua jenis utama dari rheometer adalahmencukurrheometers (yang mengontrol tegangan geser yang diterapkan) danekstensionalrheometers (yang beroperasi berdasarkan tegangan geser eksternal yang diterapkan).
Pengukuran Viskositas DIY
Berikut ini menjelaskan bagaimana Anda dapat mengukur viskositas cairan di rumah menggunakan beberapa bahan sederhana. Namun, untuk menerapkan metode ini, Anda memerlukan hukum Stokes terlebih dahulu. Hukum Stokes menghubungkan gaya hambatFpada bola kecil yang bergerak melalui cairan kental ke viskositas, jari-jari bolardan kecepatan terminal bolav, melalui:
F = 6\pi \eta r v
Sekarang setelah Anda memiliki hukum ini, Anda dapat membuat viskometer bola jatuh Anda sendiri.
Hal yang Anda Butuhkan
- Penggaris
- Berhenti menonton
- Silinder bertingkat besar
- Bola marmer atau baja kecil small
- Cairan yang viskositasnya ingin Anda ukur
Hitung massa jenis fluida dengan menimbang volume yang diketahui dari fluida dan membagi massanya dengan volume.
Hitung massa jenis bola dengan terlebih dahulu mengukur diameternya dan menggunakan rumus V = 4/3πr3 untuk menghitung volumenya. Kemudian timbang bola dan bagi massa dengan volume.
Ukur kecepatan terminal bola saat jatuh melalui cairan dalam silinder ukur. Dalam cairan kental, kelereng akan mencapai kecepatan konstan dengan cukup cepat. Waktu berapa lama waktu yang dibutuhkan bola untuk melewati antara dua titik yang ditandai pada gelas ukur, dan kemudian bagi jarak itu dengan waktu untuk menentukan kecepatannya.
Viskositas cairan dapat ditemukan dengan menggunakan hukum Stokes dan penyelesaian untuk viskositas:
\eta = \frac{F}{6\pi rv}
Dimana F dalam hal ini adalah gaya hambat. Untuk menentukan gaya hambat, Anda harus menulis persamaan gaya total dan menyelesaikannya. Persamaan gaya total ketika bola berada pada kecepatan terminal adalah:
F_net = F_b + F - F_g = 0
DimanaFbadalah gaya apung danFgadalah gaya gravitasi. Memecahkan F dan memasukkan ekspresi, Anda mendapatkan:
F = F_g - F_b = \rho_bV_bg-\rho_fV_bg = 4/3\pi r^3(\rho_b-\rho_f)
DimanaVbadalah volume bola,ρbadalah massa jenis bola danρf adalah densitas fluida.
Maka rumus viskositas menjadi:
\eta = \frac{2r^2g(\rho_b-\rho_f)}{9v}
Cukup masukkan nilai terukur Anda untuk radius bola, densitas bola dan cairan, dan kecepatan terminal untuk menghitung hasil akhir.