Sifat Fluida

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.      Rapat Massa, Berat Jenis dan Rapat Relatif

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

 

Dimana:

M = massa (kg)

V = volume (m³)

Rapat massa air (ρ air) pada suhu 4 ^oC dan pada tekanan atmosfer (p atm) 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 (ρ) dan percepatan gravitasi (g ).

Dimana :           

 γ = berat jenis ( N/m³)           

ρ  = rapat massa (kg/dt²)            

g = percepatan gravitasi (m/dt²)

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

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.

a.      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.

 

 

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)

a.      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.

a.      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.

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.

b.      Suhu/temperatur

Mekanika fluida yang menyangkut aliran gas memerlukan keterlibatan prinsip-prinsip termodinamika. Yaitu, konsep sistem dan volume kontrol.

Apabila dua sistem atau dua benda,  yang satu terasa panas sedangkan lainnya terasa panas sedangkan lainnya terasa dingin, dipertemukan atau dirapatkan, sesudah beberapa waktu yang satu akan terasa panasnya berkurang dan yang lain dinginnya akan berkurang dan akhirnya akan tercapai suatu keadaan setimbang dimana tidak ada lagi perubahan suhu lagi. Dikeadaan ini kedua sistem disebut bertemperatur sama.

Jika sebuah sistem atau fluida dalam sebuah volume kontrol tidak dalam kesetimbangan termal dengan lingkungannya, energi akan menembus melalui batas sistem atau permukaan kontrolnya.