1.1 Definisi Fluida
Fluida ( zat alir ) adalah
zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap bentuk ketika
ditekan, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam,
yaitu fluida statis dan fluida dinamis. Fluida atau zat alir adalah bahan yang
dapat mengalir dan bentuknya dapat berubah dengan perubahan volume. Fluida
mempunyai kerapatan yang harganya tertentu pada suhu dan tekanan tertentu.Jika
kerapatan fluida dipengaruhi oleh perubahan tekanan maka fluida itu dapat
mampat atau kompresibel. Sebaliknya fluida yang kerapatannya hanya sedikit
dipengaruhi oleh perubahan tekanan disebut tidak dapat mampat atau
inkompresibel. Contoh fluida kompresibel adalah udara (gas) sedangkan yang
inkompresibel adalah air (zat cair).
Fluida statis adalah fluida
yang tidak bergerak atau dalam keadaan diam, misalnya air dalam gelas. Dalam
fluida statis kita mempelajari hukum-hukum dasar yang dapat menjelaskan antara
lain: mengapa makin dalam kita menyelam makin besar tekanan yang kit alami;
mengapa kapal laut yang terbuat dari besi dapat mengapung di permukaan air
laut; managpa kapal selam dapat melayang, mengapung dan tenggelam dalam air
laut; mengapa nyamuk dapat hinggap dipermukaan air; berapa ketinggian zat akan
naik dalam pipa kapiler.
Sifat fluida tidak dapat
dengan mudah dimampatkan, sehingga fluida dapat menghasilkan tekanan normal
pada semua permukaan yang berkontak dengannya. Pada keadaan diam (statik),
tekanan tersebut bersifat isotropik, yaitu bekerja dengan besar yang sama ke
segala arah. Karakteristik ini membuat fluida dapat mentransmisikan gaya
sepanjang sebuah pipa atau tabung, yaitu, jika sebuah gaya diberlakukan pada
fluida dalam sebuah pipa, maka gaya tersebut akan ditransmisikan hingga ujung
pipa. Jika terdapat gaya lawan di ujung pipa yang besarnya tidak sama dengan
gaya yang ditransmisikan, maka fluida akan bergerak dalam arah yang sesuai
dengan arah gaya resultan.
Konsepnya pertama kali
diformulasikan, dalam bentuk yang agak luas, oleh matematikawan dan filsuf
Perancis, Blaise Pascal pada 1647 yang kemudian dikenal sebagai Hukum Pascal.
Hukum ini mempunyai banyak aplikasi penting dalam hidrolika. Galileo Galilei,
juga adalah bapak besar dalam hidrostatika.
1.2 Jenis Fluida
Fluida pada dasarnya terbagi
atas dua kelompok besar berdasarkan sifatnya, yaitu fluida cairan dan fluida
gas. Fluida diklasifikasikan atas 2, yaitu:
1. Fluida Newton: Dalam fluida
Newton terdapat hubungan linier antara besarnya tegangan geser diharapkan dan
laju perubahan bentuk yang diakibatkan.
2. Fluida non Newton: Disini
terdapat hubungan yang tak linier antara besarnya tegangan geser yang
diterapkan dengan laju perubahan bentuk sudut.
Namun, dapat pula kita
klasifikasikan berdasarkan hal berikut;
a. Berdasarkan kemampuan menahan
tekanan:
1.
Fluida incompressible (tidak termampatkan), yaitu fluida
yang tidak dapat dikompressi atau volumenya tidak dapat ditekan menjadi lebih
kecil sehingga r-nya (massa jenisnya) konstan.
2.
Fluida compressible (termampatkan), yaitu fluida yang dapat
dikompressi atau volumenya dapat ditekan menjadi lebih kecil sehingga r-nya
(massa jenisnya) tidak konstan.
b. Berdasarkan struktur
molekulnya:
1.
Cairan: Fluida yang cenderung mempertahankan volumenya
karena terdiri atas molekul-molekul tetap rapat dengan gaya kohesif yang
relatif kuat dan fluida cairan praktis tak compressible.
2.
Gas: Fluida yang volumenya tidak tertentu karena jarak antar
molekul-molekul besar dan gaya kohesifnya kecil sehingga gas akan memuai bebas
sampai tertahan oleh dinding yang mengukungnya. Pada fluida gas, gerakan
momentum antara molekulnya sangat tinggi, sehingga sering terjadi tumbukan
antar molekul.
c. Berdasarkan tegangan geser
yang dikenakan:
1.
Fluida Newton adalah fluida yang memiliki hubungan linear
antara besarnya tegangan geser yang diberikan dengan laju perubahan bentuk yang
diakibatkan.
2.
Fluida non Newton adalah fluida yang memiliki hubungan tidak
linear antara besarnya tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut.
d. Berdasarkan sifat alirannya:
1.
Fluida bersifat Turbulen, dimana alirannya mengalami
pergolakan (berputar-putar).
2.
Fluida bersifat Laminar (stream line), dimana alirannya
memiliki lintasan lapisan batas yang panjang, sehingga dikatakan juga aliran
berlapis-lapis
1.3 Parameter Fluida
a. Densitas
Kerapatan cairan adalah suatu
ukuran dari konsentrasi massa dan dinyatakan dalam bentuk massa tiap satuan
volume. Oleh karena temperatur dan tekanan mempunyai pengaruh (walaupun
sedikit) maka kerapatan cairan dapat didefinisikan sebagai: massa tiap satuan
volume pada suatu temperatur dan tekanan tertentu.
b. Viskositas
Viskositas atau kekentalan dari
suatu cairan adalah salah satusifatcairanyang menentukan besarnya perlawanan
terhadap gaya geser. Viskositas terjadi terutama karena adanya interaksi antara
molekul-molekul cairan. Suatu cairan dimana viskositas dinamiknya tidak
tergantung pada temperatur, dan tegangan gesernya proposional (mempunyai
hubungan liniear) dengan gradient kecepatan dinamakan suatu cairan
Newton.Perilaku viskositas dari cairan ini adalah menuruti Hukum Newton untuk
kekentalan.
Cairan Non Newton mempunyai tiga
sub grup yaitu:
1.
Cairan dimana tegangan geser hanya tergantung pada gradient
kecepatan saja, dan walaupun hubungan antara tegangan geser dan gradient
kecepatan tidak linier, namun tidak tergantung pada waktu setelah cairan
menggeser.
2.
Cairan dimana tegangan geser tidak hanya tergantung pada
gradient kecepatan tetapi tergantung pula pada waktu cairan menggeser atau pada
kondisi sebelumnya.
3.
Cairan visco-elastis yang menunjukkan karakteristik dari zat
pada elastis dan cairan viskus.
c. Kompresibilitas
Kemampumampatan fluida adalah salah
satu sifat fluida, yaitu seberapa mudah volume dari suatu massa fluida dapat
diubah apabila terjadi perubahan tekanan, artinya seberapa mampu-mampatkah
fluida tersebut. Sebuah sifat yang biasa dipakai untuk mengetahui
kemampu-mampatan fluida adalah modulus borongan atau Bulk modulus, dengan
simbol Ev. Rumusan Modulus Bulk yaitu :
Ev
= (dp/(dρ/ρ)) (T konstan)
Persamaan ini juga setara dengan
rumus :
Ev
= - (dp/((d∀)/∀)) (T
konstan)
Perbedaan kedua persamaan diatas
adalah terletak pada tanda koefisien. Koefisien persamaan Modulus Bulk yang
menggunakan data perubahan densitas bernilai positif karena semakin besar gaya
tekan yang didapat maka fluida akan semakin padat atau densitasnya naik.
Sedangkan Koefisien persamaan Modulus Bulk yang menggunakan data perubahan
volume bernilai negatif karena semakin besar gaya tekan yang di dapat fluida
akan mengalami pengurangan volume.
Dari hasil nilai modulus yang kita
dapat, maka dapat kita analisis bahwa semakin besar nilai Modulus Bulk, maka
hal ini menunjukan bahwa fluida tersebut relatif tidak mampu mampat atau
cenderung inkompresibel. Tidak mampu mampat artinya dibutuhkan perubahan
tekanan yang besar untuk menghasilkan perubahan volume yang kecil.Contoh fluida
yang memiliki Modulus Bulk yang besar adalah air. Dibutuhkan tekanan sebesar
210 atm hanya untuk memampatkan volume air sebesar 1%. Semakin kecil Modulus
maka fluida tersebut semakin mudah untuk dimampatkan.
Lalu bagaimanakah tingkat
kompresibilitas pada gas ideal?. Secara fisis dapat diartikan bahwa
kompresibilitas gas ideal hanya tergantung pada perubahan tekanan dan tidak
tergantung pada perubahan volumenya. Tekanan besar
kompresibilitas gas ideal besar dan
sebaliknya tekanan kecil kompresibilitasnya juga kecil. Pada tekanan yang besar
yang menyebabkan kompresibilitas besar tidak berarti gas ideal menjadi gas yang
inkompresibel. Besar disini relatif terhadap kompresibilitas yang kecil pada
tekanan yang kecil, karena kompresibilitas gas ideal yang “besar” masih sangat
jauh lebih kecil dari kompresibilitas air yang nilainya sebagai berikut :
2,15
x 10 +9 (N/m2) = 2,15 x 10+9 Pa ≈ 2,15 x 10+4 atm
Catatan
1 N/m2 = 1 Pa dan 1 atm ≈ 1,01 x 105 Pa.
Dari perbandingan data tersebut
kita dapat ambil kesimpulan bahwa air adalah pembanding yang digunakan sebagai
standar kompresibilitas dari fluida lain.
Contoh fluida yang dianggap gas
ideal adalah udara.Hal ini berdasarkan pada sifat-sifatnya yang mendekati sifat
gas ideal yaitu untuk 1 tekanan atm terjadi pengurangan 1 % pada volume udara
tersebut. Sehingga dapat dikatakan bahwa perubahan volume yang kecil pada gas
dalam kondisi ditekan dengan tekanan yang sangat besar dapat menyebabkan
perubahan tekanan yang besar.
Kebalikan dari koefisien
kompresibilitas (Ev) disebut isothermal kompresibilitas (α) yang dirumuskan
sebagai berikut :
Α
= 1/κ
〖α =
((dρ/ρ)/dp)〗_(T konstan)
Nilai
Kompresibilitas isothermal (α) suatu fluida menyatakan perubahan volume atau
densitas fraksional berhubungan dengan perubahan tekanan.Satuan kompresibilitas
isothermal adalah Pa-1.
Salah
satu contoh pengaruh temperatur terhadap Bulk Modulus Elasticity atau Koefisien
Kompresibilitas air adalah pada temperatur kurang dari 600 C kompresibilitas
air mengecil dengan berkurangnya temperatur. Hal ini bisa dijelaskan bahwa
temperatur sangat mempengaruhi perubahan volume atau densitas, dengan kata lain
perubahan volume/densitas lebih besar dari pada perubahan tekanan. Kondisi
serupa terjadi pada temperatur yang lebih besar dari 600 C, dan nilai koefisien
kompresibilitas maksimum terjadi pada suhu sekitar 600 C, ini berarti perubahan
tekanannya lebih besar dari pada perubahan volume.
Seperti
yang kita tahu bahwa secara umum perubahan densitas suatu fluida sangat
ditentukan oleh perubahan temperatur daripada oleh tekanan, sebagai contoh:
fenomena kenaikan massa udara (gerakan konveksi), arus laut (upwelling), kenaikan
asap pada cerobong dan fenomena lain. Ukuran variasi densitas fluida trehadap temperatur pada tekanan konstan
disebut koefisien pengembangan volume (the coefficient of volume expansion), β
yg didefinisikan sebagai berikut :
β=〖1/∀ ((d∀)/dT)〗_(P konstan)
Persamaan
tersebut setara dengan rumus berikut :
β= -〖1/ρ (dρ/dT)〗_(P
konstan)
Perbedaan
kedua persamaan diatas adalah terletak pada tanda koefisien. Koefisien
persamaan pengembangan volume yang menggunakan data perubahan volume bernilai
positif karena semakin besar gaya pengembang yang didapat maka fluida akan
semakin meregang atau volumenya bertambah. Sedangkan Koefisien persamaan
pengembangan volume yang menggunakan data perubahan densitas bernilai negatif
karena semakin besar gaya pengembang yang di dapat maka fluida akan mengalami
pengurangan densitas.
Nilai
β yang besar menunjukkan bahwa fluida tersebut “cenderung” merupakan fluida
yang mampu dimampatkan dan β yang kecil “biasanya” terdapat pada fluid yang tak
mampu dimampatkan. Walau demikian nilai β bukan merupakan “indikator” untuk
menentukan fluida kompresibel atau tidak kompresibel, karena besar atau
kecilnya nilai β merupakan ukuran relatif. Dari dua jenis atau lebih fluida
yang kompresibel dapat mempunyai nilai β yang berbeda, dimana β satu fluida
dapat lebih besar drpd fluida lainnya. Demikian pula pada berbagai fluida
inkompresibel.
1.4 Jenis Aliran Fluida
Pada bagian ini kita akan
meninjau kasus fluida bergerak/mengalir. Normalnya, ketika kita meninjau
keadaan gerak dari suatu sistem partikel, kita akan berusaha memberikan
informasi mengenai posisi dari setiap partikel sebagai fungsi waktu. Tetapi
untuk kasus fluida ada metode yang lebih mudah yang dikembangkan mula-mula oleh
Euler. Dalam metode ini kita tidak mengikuti pergerakan masing-masing partikel,
tetapi kita memberi informasi mengenai keadaan fluida pada setiap titik ruang
dan waktu. Keadaan fluida pada setiap titik ruang dan untuk seluruh waktu
diberikan oleh informasi mengenai massa jenis (~r, t) dan kecepatan fluida
~v(~r, t). Aliran fluida dapat dikategorikan menurut beberapa kondisi
a. Bila vektor kecepatan
fluida di semua titik ~v =~(~r) bukan merupakan fungsi waktu maka alirannya
disebut aliran tetap (steady), sebaliknyabila tidak maka disebut aliran tak
tetap (non steady).
b. Bila di dalam fluida
tidak ada elemen fluida yang berotasi relative terhadap suatu titik maka aliran
fluidanya disebut alira irrotasional, sedangkan sebaliknya disebut aliran
rotasional.
c. Bila massa jenis adalah
konstan, bukan merupakan fungsi ruang dan waktu, maka alirannya disebut aliran
tak termampatkan, sebaliknya akan disebut termampatkan.
d. Bila terdapat gaya gesek dalam fluida maka alirannya disebut aliran
kental, sedangkan sebaliknya akan disebut aliran tak kental. Gaya gesek ini
merupakan gaya-gaya tangensial terhadap lapisan-lapisan fluida, dan menimbulkan
disipasi energi mekanik.
No comments:
Post a Comment