Cairan atau Fluida

 

Konsep Dasar Cairan atau Fluida

1. Mekanika adalah ilmu fisika tertua tentang ilmu pengetahuan yang mempelajari gerakan benda dan pengaruh gaya dalam gerakan tersebut. Statika adalah bagian dari mekanika yang membahas tentang benda yang diam atau tidak bergerak, sementara dinamika adalah bagian dari mekanika yang membahas tentang benda yang bergerak.
2. Mekanika Fluida adalah ilmu tentang perilaku fluida / cairan saat diam (statika fluida) atau bergerak (dinamika fluida) dan interaksi fluida dengan kepadatan atau fluida lain.
3. Suatu zat pada kondisi cair / gas disebut sebagai fluida. Prebedaan antara zat padat dan zat cair adalah berdasar kemampuan zat tersebut untuk menahan tekanan geser (tangensial) yang diterapkan yang cenderung dapat mengubah bentuknya. Zat padat dapat menahan gaya geser yang diterapkan dengan mendeformasi bentuknya, sedangkan cairan berubah bentuk secara terus menerus di bawah pengaruh tegangan geser, tidak peduli berapa kecil gaya tersebut. Di dalam zat padat, stress sebanding dengan tekanan, sementara di dalam fluida, stress sebanding dengan laju regangan.

Mengacu pada gambar di atas, modulus geser zat padat (s) dan koefisien viskositas (µ) pada cairan dapat dihitung sebagai berikut:

S = (F/A) / (∆x/h)

µ = (F/A) / (∆u/h)

Dimana:

• F = Gaya geser yang bekerja pada area penampang tertentu (A),
• H = Ketinggian blok / tinggi antara dua lapisan elemen fluida yang berdekatan,
• ∆x = perpanjangan blok padat,
• ∆u = Gradien antara dua lapisan fluida yang berdekatan.

Meskipun cairan / gas memiliki beberapa karakteristik umum, namun keduanya memiliki karakteristik berbeda satu dan lainnya. Sangat mudah melakukan kompres terhadap zat gas, sementara coairan tidak dapat dimampatkan.

Massa tertentu dari cairan atau fluida menempati volume tetap, tidak peduli ukuran dan bentuk wadah.

Dimensi dan Satuan Cairan atau Fluida

Dimensi adalah ukuran dimana variable fisik diekspresikan secara kuantitatif dan unit adalah satuan angka pada kuantitas dimensi.

Semua sifat cairan atau fluida ditentukan oleh satuan dan dimensi tertentu. Beberapa dimensi dasar adalah :

• Massa (M),
• Panjang (L),
• Waktu (T),
• Suhu (q)

Dimensi dasar diatas adalah merupakan dimensi dasar / unit dasar juga disebut dimensi primer. Sementara dimensi yang lain, seperti kecepatan, volume disebut sebagai dimensi sekunder / turunan.

Cairan Sebagai Kontinum

Cairan adalah agregasi molekul, banyak celah gas dengan jarak dekat pada cairan. Jarak antar molekul sangat besar dibandingkan dengan diameter molekul. Jumlah molekul yang adapun sangat besar dan pemisahan diantaranya biasanya diabaikan.

Dalam kondisi ini, cairan dapat diperlakukan sebagai kontinum dan sifat-sifat pada titik manapun dapat diperlakukan sebagai perilaku cairan curah.

Agar model kontinum valid, maka dibutuhkan kandungan sejumlah besar molekul sehingga rata-rata dapat mudah dihitung. Udara dipermukaan laut memiliki volume 10-9 mm3 berisi 3 x 107 molekul. Dalam teknis, volume ini cukup kecil, sehingga hipotesis kontinum valid.

Dalam keadaan tertentu, seperti penerbangan dengan ketinggian sangat tinggi, jarak molekul menjadi sangat besar sehingga volume kecil dan hanya mengandung sedikit molekul dan sehingga model kontinum menjadi gagal.

Sifat Cairan atau Fluida

Properti dalam hal ilmu fluida adalah setiap karakteristik dari suatu sistem. Jumlah property yang diperlukan untuk memperbaiki keadaan sistem disebut state postulates.

Sifat cairan / fluida yang paling umum adalah:

• Tekanan (p)

Gaya normal yang diberikan oleh fluida per satuan luas. Dalam sistem SI, unit dan dimensi tekanan masing-masing dapat ditulis sebagai: N / m2 dan ML-1T-2.

• Kepadatan / Densitas

Kepadatan suatu zat yang terkandung dalam satuan volume zat tersebut. Ini ditulis dengan 3 cara berbeda.

• Kepadatan Massa

ᵨ = massa / volume

Berat spesifik (ᵨg) dan kepadatan relative / berat jenis :

SG = ᵨ / ᵨwater

Unit dan dimensi

Kepadatan massa

Dimensi = ML-3

Unit = kg / m3

Untuk berat tertentu

Dimensi = ML-2T-2

Unit = N / m3

Nilai standar kepadatan air dan udara adalah:

Air = 1000kg / m3

Udara = 1,2 kg / m3

• Suhu (T)

Suhu adalah ukuran panas dan dinginnya suatu sistem. Dalam ilmu termodinamika, suhu adalah ukuran energy binternal suatu sistem. Satuan yang sering digunakan adalah celcius (C) yaitu 0C sebagai titik beku dan 100C sebagai titik didih.

• Viskositas (u)

Ketika dua benda padat saling bersentuhan, bergerak relative satu dan yang lainnya, maka gaya gesek akan berubah pada permukaan yang bersentuhan dalam arah berlawanan dengan arah gerakan.

Properti yang mewakili resistansi internal fluida terhadap gerak (fluiditas) disebut viskositas. Cairan yang laju deformasinya sebanding dengan tegangan geser disebut fluida newtonia. Tegangan geser dinyatakan sebagai:

τ = µ (du / dy)

dimana:

du / dy adalah laju regangan geser,

µ adalah viskositas dinamis / absolute fluida.

Viskositas dinamis memiliki dimensi ML-1T-1 dan satuan kg / ms atau Ns / m2 atau Pa.s. Satuan umum viskositas dinamis adalah poise yang setara dengan 0,1 Pa.s.

Rasio viskositas dinamis terhadap kerapatan sering disebut sebagai viskositas kinematik, dengan rumus:

V = µ / ᵨ

Dimensi L2T-1 dan satuan stoke (1 stoke = 0,0001 m2 / s.

Nilai khas viskositas kinematik udara dan air pada suhu atmosfer adalah:

Udara = 1,46 x 10-5 m2 / s dan

Air = 1,14 x 10-6m2 / s.

Secara umum, viskositas cairan tergantung terhadap suhu. Untuk cairan, viskositas akan berkurang dengan suhu, dan pada gas naik dengan suhu.

Korelasi Sutherland untuk menentukan viskositas gas sebagai fungsi suhu adalah:

µ / µ = [T / T]3/2 [(T + S) / (T / S)]

Untuk udara, nilai referensi viskositas

µ = 1,789 x 10-5kg / m.s

T = 288K

S = 110K

Dalam cairan, viskositas diperkirakan sekitar:

1n(µ / µ) = a + b [T / T] + c[T / T]2

Untuk air di :

T = 273K

µ = 0,001792 kg / m.s

a = -1,94

b = -4,8

c = 6,74

• Konduktivitas Termal (k)

Konduktivitas termal berhubungan dengan laju aliran panas per satuan luas (q) ke gradient suhu (dT / dx) dan diatur oleh Hukum Fourier tentang konduksi panas, yaitu:

q = -k (dT / dx)

Dalam system SI dan dimensi tekanan dapat ditulis: W / mK dan MLT-3-1. Konduktivitas termal bervariasi dengan suhu untuk cairan dan gas dengan cara sama dengan viskositas.

Nilai referensi konduktivitas termal (k) untuk air dan udara pada suhu referensi diambil masing-masing 0,6 W / mK dan 0,025 W / mK.

• Koefisien Kompresibilitas / Bulk Modulus (Ev)

Adalah sifat cairan atau fluida yang mewakili variasi densitas dengan tekanan pada suhu konstan. Secara matematis dipresentasikan sebagai:

Ev = -v(ap / av)r = ᵨ(aᵨ / aT)r

Dalam hal perubahan yang terbatas:

Ev = (Δ / v) / ΔT = – [(Δᵨ / ᵨ) / ΔT

Bahwa Ev untuk gas ideal pada suhu p sama dengan tekanan absolutnya (N / ,m-2).

• Koefisien Ekspansi Volume (β)

Sifat cairan atau fluida yang mewakili variasi kepadatan dengan suhu pada tekanan konstan. Secara matematis dapat dipresentasikan sebagai berikut:

β = (1 / v) (av / aT) = – (1 / ᵨ) (aᵨ / aT)

Dalam hal perubahan yang terbatas:

β = (Δv / v) / ΔT = – (Δᵨ / ᵨ) /  ΔT

Bahwa Ev untuk gas ideal pada suhu T setara dengan kebalikan dari suhu absolute.

• Pemanasan Spesifik

Jumlah energy yang dibutuhkan untuk satuan massa fluida untuk kenaikan satuan suhu. Karena tekanan, suhu dan kepedatan gas saling terkait, maka jumlah panas diperlukan untuk menaikkan suhu T1 ke T2 tyergantung pada apakah gas dibiarkan mengembang selama proses sehingga energy yang dimasukkan digunakan dalam bekerja bukannya menaikkan suhu.

Untuk gas tertentu, dua panas spesifik didefinisikan dengan dua kondisi ekstrem volume konstan dan tekanan konstan.

Panas spesifik pada volume konstan (cv)

Panas spesifik pada tekanan konstan (cp)

Rumus berikut berlaku untuk panas spesifik pada volume konstan dan tekanan konstan, untuk udara cp = 1,005KJ/kg. , cv = 0,718KJ/kg.K.

Cp – Cv = R

Cv = yR / (y-1)

Cv = R / (y-1)

• Kecepatan Suara (c)

Hal penting dari kompresibilitas fluida adalah bahwa gangguan yang timbul pada beberapa titik sepanjang perambatan di fluida pada kecepatan yang terbatas.

Kecepatan ini disebut sebagai kecepatan akustik / kecepatan suara. Secara matematis dapat dihitung sebagai berikut:

c = √dp/dᵨ = √Ev/ᵨ

Dalam proses isothermal

Ev = p è c = √p/ᵨ

c = √yRT

Dalam proses isentropic

Ev = yp è c = √yp/ᵨ

c = √yRT

• Tekanan Uap (pv)

Didefinisikan sebagai tekanan yang diberikan oleh upaya dalam kesetimbangan fase dengan cairan pada suhu tertentu. Untuk zat murni, sama dengan tekanan saturasi.

Dalam gerakan fluida, jika tekanan di beberapa lokasi rendah dari tekanan uap, gelembung akan mulai terbentuk. Fenomena ini disebut sebagai kavitasi, karena membentuk rongga dalam cairan.

• Ketegangan Permukaan (σ)

Pada saat suatu cairan dan gas atau dua cairan yang tidak dapat bercampur bersentuhan, maka gaya yang tidak seimbang terjadi pada permukaan diantaranya. Intensitas tarikan molekul per satuan panjang garis permukaan tersebut disebut tegangan permukaan.

Misalnya, dalam tetesan cairan berbentuk lingkaran dengan jari-jari (r), perbedaan tekanan (Δp) maka:

Δp = 2σ/r

Dalam system SI. unit dan dimensi masing-masing dapat ditulis sebagai N/m dan MT-2

Hubungan antara Gas dan Cairan atau Fluida

Semua gas pada suhu tinggi dan tekana rendah disebut dalam hukum perfect gas, yaitu:

p = ᵨRT = ᵨ(Ṝ/M)T

Dimana:

• R adalah konstanta gas,
• Ṝ adalah konstanta gas universal,
• M adalah berat molekul.

Cairan hamper tidak dapat dimampatkan dan memiliki satu spesifik panas konstan . Kepadatan cairan sedikit menurun pada suhu dan meningkat secara moderat dengan tekanan.

Mengabaikan efek suhu, hubungan kerapatan tekanan empiris dinyatakan sebagai:

p/pa = (B+1)(ᵨ/ᵨa)n-B

Dimana:

B dan n adalah parameter non-dimensi yang tergantung pada jenis fluida dan sedikit berbeda dengan suhu. Untuk air di 1 atm, kepadatannya 1000kg/m2 dan konstanta diambil sebagai B = 3000 dan n = 7.

Klasifikasi Aliran Cairan atau Fluida

Aliran kental dan invisskid.

Dimana efek gesekan menjadi signifikan. Ketika dua lapisan fluida bergerak relative terhadap satu dengan yang lain, maka gaya gesekan akan berkembang diantaranya ditentekuan oleh kuantifikasi oleh sifat viskositas fluida.

Aliran Internal dan Eksternal

• Aliran eksternal adalah aliran yang tidak terkait di atas permukaan, sementara aliran internal adalah aliran yang terkait di atas permukaan.
• Aliran internal didominasi oleh viskositas sedangkan efek viskos terbatas pada lapisan pada permukaan padat untuk aliran eksternal.

Aliran Kompresibel dan Tidak Kompresibel

• Aliran tidak kompresibel jika densitasnya tetap dan hamper konstan di seluruh permukaan.
• Aliran kompresibel jika densitasnya bervariasi lebih dari 5%.

Aliran Laminar dan Turbulen

• Aliran Luminar adalah gerakan fluida yang sangat teratur yang ditandai oleh lapisan cairan yang halus dan lembut.
• Aliran Turbulen adalah gerakan fluida yang terjadi dengan kecepatan tinggi ditandai oleh fluktuasi kecepatan.
• Aliran transisi adalah aliran yang berubah ubah antara aliran laminar dan turbulen.

Aliran Stabil dan Tidak Stabil

• Aliran stabil adalah ketika tidak ada perubahan dalam sifat fluida pada titik dan waktu.
• Aliran tidak stabil adalah ketika sifat fluida berubah secara bervariasi.

Aliran Alami dan Paksa

Aliran paksa adalah fluida dipaksa mengalir di atas permukaan dengan cara eksternal seperti pompa atau kipas. Dalam aliran alami, perbedaan kepadatan adalah penyebab terjadinya aliran fluida.

Aliran satu / dua / tiga dimensi

Bidang aliran paling baik ditandai oleh distribusi kecepatan dan dengan demikian dapat diperlakukan sebagai aliran satu / dua / tiga dimensi jika kecepatan bervariasi dalam arah masing-masing.