Mekanika fluida dan hidrolika adalah bagian dari mekanika terpakai atau mekanika yang diterapkan (Applied Mechanics). Fluida adalah sub-himpunan dari fase benda, termasuk cairan, gas, plasma, dan padat plastik.
Fluida memiliki sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk mengalir (atau umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka). Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi dari ketidakmampuan mereka mengadakan tegangan geser (shear stress) dalam ekuilibrium statik. Konsekuensi dari sifat ini adalah hukum Pascal yang menekankan pentingnya tekanan dalam mengarakterisasi bentuk fluid. Dapat disimpulkan bahwa fluida adalah zat atau entitas yang terdeformasi secara berkesinambungan apabila diberi tegangan geser walau sekecil apapun tegangan geser itu.
Sifat-Sifat Fluida
Semua fluida nyata (gas dan zat cair) memiliki sifat-sifat khusus yang dapat diketahui, antara lain: rapat massa (densit y), kekentalan (viscosity), tegangan permukaan (surface tension ), temperatur. 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. Kerapatan, Volume Jenis, dan Gravitasi Jenis
Kerapatan (ρ) suatu zat adalah ukuran konsentrasi massa zat tersebut dan dinyatakan dalam bentuk massa (m) persatuan volume (V).
ρ= 
Dimana:
ρ = kerapatan (kg/m3) atau (slug/ft3)
m = massa (kg) atau (slug)
V = volume (m3) atau (ft3)
Kerapatan air pada temperatur kamar adalah sekitar 1,94 slug/ft3 , atau 1000 kg/m3. Kerapatan udara baku (ditetapkan pada tekanan mutlak 2116 lbf/ft2 dan T= 59 oF) adalah 0.002378 slug/ft3. Dalam sistem SI (ρ= 1.013 × 105 N/m2 dan T= 15 oC) kerapatan baku adalah 1.225 kg/m3. Temperatur dan tekanan pengaruhnya kecil terhadap kerapatan zat cair, namun sangat berarti terhadap kerapatan gas.
Volume jenis (v) adalah volume yang ditempati oleh sebuah satuan massa zat dan dan karena itu merupakan kebalikan dari kerapatan.
v= 
Berat jenis (γ ) adalah gaya gravitasi terhadap massa yang terkandung dalam sebuah satuan volume zat.
γ= ρ g
Dimana :
γ = berat jenis ( N/m3) atau ( lbf/ft3 )
ρ = kerapatan (kg/m3) atau ( slug/ft3 )
g = percepatan gravitasi (m/s2) atau ( ft/s2 )
Gravitasi jenis (s) adalah sifat yang digunakan untuk memperbandingkan kerapatan suatu zat dengan kerapatan air.
s= 
Kerapatan gas boleh dihitung dari salah satu persamaan gas sebagai suatu fungsi tekanan dan temperatur. Untuk gas ideal:
ρ = 
Rapat relatif (s) adalah perbandingan antara rapat massa suatu zat (ρ) dan rapat massa air (ρ air), atau perbandingan antara berat jenis suatu zat (γ) dan berat jenis air (γ air).
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 (τ) 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 (µ) atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis (ν).
Dalam beberapa masalah mengenai gerak zat cair, kekentalan dinamik dihubungkan dengan kekentalan kinematik sebagai berikut:
dengan ρ 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.
) 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.
Bila fluida Newtonian dan aliran yang terjadi adalah laminer maka berlaku hubungan:
dimana :
τ= tegangan geser (kg/m2)
µ = kekentalan dinamis (kg/m.det)
ν= kekentalan kinematis (m2/det)
ρ= densitas fluida (kg/m3)
= gradien kecepatan
c. Kompresibilitas
Kompresibilitas adalah perubahan volume zat cair akibat perubahan tekanan yang dialami.
Perubahan volume relatif per-satuan tekanan disebut angkakompresibilitas ; ( bp ) yang dinyatakan dengan rumus :
Tanda ( – ) karena kenaikan tekanan mengakibatkan kerutnya volume. Kebalikan dari angka kompresibilitas dinamakan modulus elastisitas volume ( volume or bulk modulus of elasticity ) :
Harga ( K ) sedikit terpengaruh oleh ( T ) dan ( p ).
Contoh :
Air t = 00C ; p = 5 Kg/Cm2 ® K = 18900 Kg/Cm2
t = 200C ; p = 5 Kg/Cm2 ® K = 22170 Kg/Cm2
Diambil harga rata -rata K = 20000 Kg/Cm2.
Jadi bila tekanan dinaikkan 1 Kg/Cm2 ;
Volumeberkurang Hanya 1/20000 volume mula.
Modulus ( K ) zat cair yang lain, keadaannya juga seperti yang dimiliki air. Secara umum semua zat cair dianggap INKOMPRESIBEL ; sehingga berat-jenis (g) tak dipengaruhi oleh ( p ).
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.
dengan:
F = gaya tarik menarik
m 1, m 2 = 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 (s). Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik.
e. Tegangan Uap
Tekanan uap adalah tekanan suatu uap pada kesetimbangan dengan fase bukan uap-nya. Semua zat padat dan cair memiliki kecenderungan untuk menguap menjadi suatu bentuk gas, dan semua gas memiliki suatu kecenderungan untuk mengembun kembali. Pada suatu suatu suhu tertentu, suatu zat tertentu memiliki suatu tekanan parsial yang merupakan titik kesetimbangan dinamis gas zat tersebut dengan bentuk cair atau padatnya. Artinya, suatu fluida dikatakan mencapai tekanan uap air jenuh ketika telah mencapai kesetimbangan jumlah antara molekul fluida yang menguap dan molekul fluida yang kembali mengembun ke dalam fluida. Titik ini adalah tekanan uap zat tersebut pada suhu tersebut.
Tekanan uap suatu cairan bergantung pada banyaknya molekul di permukaan yang memiliki cukup energi kinetik untuk lolos dari tarikan molekul-molekul tetangganya. Jika dalam cairan itu dilarutkan suatu zat, maka kini yang menempati permukaan bukan hanya molekul pelarut, tetapi juga molekul zat terlarut. Karena molekul pelarut di permukaan makin sedikit, maka laju penguapan akan berkurang. Dengan pekataan lain, tekanan uap cairan itu turun. Makin banyak zat terlarut, makin besar pula penurunan tekanan uap.
Tekanan uap suatu cairan bergantung pada banyaknya molekul di permukaan yang memiliki cukup energi kinetik untuk lolos dari tarikan molekul-molekul tetangganya. Jika dalam cairan itu dilarutkan suatu zat, maka kini yang menempati permukaan bukan hanya molekul pelarut, tetapi juga molekul zat terlarut. Karena molekul pelarut di permukaan makin sedikit, maka laju penguapan akan berkurang. Dengan pekataan lain, tekanan uap cairan itu turun. Makin banyak zat terlarut, makin besar pula penurunan tekanan uap.
Contoh: sederhana efek dari perubahan tekanan pada titik didih fluida adalah bertambah atau berkurangnya titik didih fluida. Semakin tinggi tekanan yang terjadi pada suatu fluida, maka semakin tinggi titik didih yang dibutuhkan untuk mendidihkan suatu fluida. Begitu juga sebaliknya, semakin rendah tekanan, maka semakin rendah pula suhu yang dibutuhkan untuk mendidihkan suatu fluida. Hal ini dengan mudah kita amati dalam proses pendidihan air. Dibutuhkan suhu 1000 C untuk mendidihkan air pada tekanan dataran rendah, sedangkan di daerah pegunungan dibutuhkan suhu kurang dari 1000 C untuk mendidihkan air.
Daftar Pustaka
No comments:
Post a Comment