LAPORAN PRAKTIKUM KIMIA FISIK KI-2142 PRAKTIKUM K-1 VISKOSITAS CAIRAN SEBAGAI FUNGSI SUHU
Nama
: Catia Julie Aulia
NIM
: 13714035
Kelompok
: II
Shift
: Rabu Siang Minggu ke-2
Tanggal Percobaan
: 21 Oktober 2015
Tanggal Laporan : 28 Oktober 2015 Asisten
: Rani Yudi H. (10511036)
LABORATORIUM KIMIA FISIK PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2015 I.
JUDUL PERCOBAAN Page 1 of 26
VISKOSITAS CAIRAN SEBAGAI FUNGSI SUHU.
II.
TUJUAN PERCOBAAN 1. Menentukan densitas zat Metanol dan Kloroform. 2. Menentukan Viskositas cairan dengan menggunakan metode Oswald. 3. Menentukan nilai tetapan A dan energi ambang batas aliran E. 4. Menentukan nilai tetapan Van der Waals. 5. Menentukan pengaruh temperatur terhadap Viskositas cairan.
III.
TEORI DASAR Viskositas adalah ukuran yang menyatakan kekentalan suatu fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan dalam fluida. Semakin besar viskositas fluida, maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan juga menunjukan semakin sulit suatu benda bergerak dalam fluida tersebut. Kekentalan merupakan sifat cairan yang berhubungan dengan hambatan untuk mengalir. Beberapa cairan ada yang dapat mengalir dengan cepat namun ada yang mengalir secara lambat. Fluida yang mengalir lambat seperti gliserin, madu dan minyak atso, ini dikarenkan mempunyai viskositas besar. Jadi viskositas menentukan kecepatan mengalirnya cairan. Kekentalan disebabkan karena kohesi antara partikel zat cair. Zat cair ideal tidak mempunyai kekentalan. Zat cair mempunyai beberapa sifat sebagai berikut: apabila ruangan lebih besar dari volume zat cair akan terbentuk permukaan bebas horizontal yang berhubungan dengan atmosfer, mempunyai rapat massa dan berat jenis, dapat dianggap tidak termampatkan, mempunyai viskositas Page 2 of 26
(kekentalan) dan mempunyai kohesi, adhesi dan tegangan permukaan fluida. Aliran fluida dapat diaktegorikan: 1. Aliran Laminar Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar . Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton yaitu : τ=µ
du dy
2. Aliran Turbulen Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran. 3. Aliran Transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.
Pada aliran laminar, fluida dapat dianggap terdiri atas lapisan-lapisan molekul yang bergerak satu diatas yang lainnya dengan kecepatan yang berbeda-beda. Profil Page 3 of 26
kecepatan berbagai lapisan ini berbentuk parabola dengan kecepatan paling tinggi terdapat pada lapisan di bagian tengah pipa. Suatu lapisan pada jarak r (dari sumbu pipa) yang bergerak dengan kecepatan tertentu (c). Gaya (f) yang diperlukan untuk mempertahankan beda kecepatan (dc) antara lapisan inii dengan lapisan yang berjarak dr diatasnya adalah : f =η x A x
dc dr
Kebalikan dari viskositas disebut fluiditas, yang merupakan ukuran kemudahan mengalirnya suatu fluida. Fluiditas dirumuskan sebagai berikut : Φ=
1 η
Salah satu cara untuk menentukan viskositas cairan yaitu dengan metode kapiler dari Poisuille. Pada metode ini, diukur waktu (t) yang diperlukan oleh volume tertentu cairan (V) untuk mengalir melalui pipa kapiler di bawah pengaruh tekanan penggerak (P) yang tetap. Dalam hal ini untuk cairan yang mengalir dengan aliran laminar, viskositasnya ditentukan dengan persamaan Poisuille dinyatakan sebagai : η
=
π x R4 x P x t 8 xV x L
Metode Oswald merupakan suatu metode variasi dari metode Poiseuille. Dalam metode ini selalu diperhatikan aliran cairan, maka viskositas suatu cairan dapat Page 4 of 26
ditentukan dengan membandingkan hasil pengukuran waktu (t), rapat massa (ρ) cairan tersebut terhadap waktu (to) dan rapat massa (ρo) cairan pembanding yang diketahui viskositasnya pada suhu pengukuran. η ρxt = ηo ρ o x t o
Berdasarkan hukum distribusi Maxwell-Boltzmann, jumlah molekul yang memiliki energi yang diperlukan untuk mengalir dihubungkan dengan faktor e.E/R.T η=
AxexE R xT
atau
ln η=
E + ln A R xT
Untuk cairan yang terasosiasi : η=
c v−b
atau
η v =b+ =b+ c Φ c
Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas cairan : a. Tekanan Viskositas cairan naik dengan naiknya tekanan, sedangkan viskositas gas tidak dipengaruhi oleh tekanan. b. Temperatur Viskositas akan turun dengan naiknya suhu, sedangkan viskositas gas naik dengan naiknya suhu. Pemanasan zat cair menyebabkan molekul-molekulnya Page 5 of 26
memperoleh energi. Molekul-molekul cairan bergerak sehingga gaya interaksi antar molekul melemah. Dengan demikian viskositas cairan akan turun dengan kenaikan temperatur. c. Kehadiran Zat Lain Penambahan gula tebu meningkatkan viskositas air. Adanya bahan tambahan seperti bahan suspensi menaikkan viskositas air. Pada minyak ataupun gliserin adanya penambahan air akan menyebabkan viskositas akan turun karena gliserin maupun minyak akan semakin encer, waktu alirnya semakin cepat. d. Ukuran dan Berat Molekul Viskositas naik dengan naiknya berat molekul. Misalnya laju aliran alkohol cepat, larutan minyak laju alirannya lambat dan kekentalannya tinggi serta laju aliran lambat sehingga viskositas juga tinggi. e. Kekuatan antar molekul Viskositas akan naik jika ikatan rangkap semakin banyak. Viskositas air naik dengan adanya ikatan hydrogen.
Page 6 of 26
IV.
DATA PENGAMATAN Truang : 27,5o C Massa Pikno Kosong + Tali (Wo) : 28,86 g (untuk zat Metanol) Massa Pikno Kosong + Tali (Wo) : 19,74 g (untuk zat Kloroform) Tabel 1. Data Pengamatan Zat Metanol
T (oC) Ruang 30 35 40
WPikno + Tali + Metanol (gram) 48,10 48,76 48,78 48,85
t1 8,59 8,27 8,17 8,00
t Zat t2 8,40 8,29 8,11 7,93
(s) t3 8,50 8,22 8,10 8,00
tavg 8,49 8,26 8,12 7,97
t Zat t2 4,00 3,90 3,80 3,50
(s) t3 3,80 3,90 3,90 4,00
tavg 3,90 3,93 3,76 3,76
Tabel 2. Data Pengamatan Zat Kloroform
T (oC) Ruang 30 35 40
WPikno + Tali + Kloroform (gram) 58,08 57,72 57,97 58,85
t1 3,90 4,00 3,60 3,80
Tabel 3. Data Pengamatan Zat Air (untuk Zat Metanol)
T (oC) Ruang 30 35 40
WPikno + Tali + Air (gram) 53,48 53,73 53,78 54,05
t1 7,98 7,70 7,55 7,43
t Zat t2 7,98 7,82 7,47 7,45
(s) t3 7,73 7,72 7,50 7,44
tavg 7,89 7,74 7,50 7,44
Page 7 of 26
Tabel 4. Data Pengamatan Zat Air (untuk Zat Kloroform)
T (oC) Ruang 30 35 40
WPikno + Tali + Air (gram) 45,24 46,14 45,78 45,72
t1 5,60 6,00 5,80 5,30
t Zat t2 5,70 6,00 5,50 5,30
(s) t3 5,70 6,00 5,70 5,20
tavg 5,66 6,00 5,66 5,26
Page 8 of 26
V.
PENGOLAHAN DATA 1. Penentuan Volume Pikno
V Piknometer =
W Pikno+Tali+ Air −W Pikno+Tali ρair
Tabel 5. Volume Piknometer Kosong
Piknometer A (untuk Metanol) B (untuk
WPikno + Tali + Air
WPikno + Tali
ρAir
VPiknometer
(gram) 53,48
(gram) 28,86
(g/mL) 0,996377
(mL) 24,70
45,24
19,74
0,996377
25,59
Kloroform)
2. Penentuan ρZat pada Berbagai Suhu
ρZat =
W Pikno+Tali+Zat −W Pikno+Tali V Piknometer
Tabel 6. Massa Jenis Zat Metanol di Berbagai Suhu
T (oC) Ruang 30 35 40
WPikno + Tali + Metanol
WPikno + Tali
VPiknometer
(gram) 48,10 48,76 48,78 48,85
(gram) 28,86 28,86 28,86 28,86
(mL) 24,70 24,70 24,70 24,70
ρMetanol (g/mL) 0,778947 0,805668 0,806477 0,809311
Page 9 of 26
Tabel 7. Massa Jenis Zat Kloroform di Berbagai Suhu
WPikno + Tali +
T (oC)
(gram) 58,08 57,72 57,97 58,85
Kloroform
Ruang 30 35 40
WPikno + Tali
VPiknometer
ρKloroform
(gram) 19,74 19,74 19,74 19,74
(mL) 25,59 25,59 25,59 25,59
(g/mL) 1,498241 1,484173 1,493942 1,528331
3. Penentuan ηZat Zat ηZat =
t Zat x ρ Zat xη t Air x ρ Air Air
Tabel 8. Viskositas Metanol
T (oC)
tAvg Metanol
(s)
ρMetanol
tAvg Air
ρAir
(g/mL)
(s)
(g/mL) 0,99637
0,00084
7 0,99564
2 0,00079
9 0,99403
7 0,00071
3 0,99221
9 0,00065
6
3
Ruang
8,49
0,778947
7,89
30
8,26
0,805668
7,74
35
8,12
0,806477
7,50
40
7,97
0,809311
7,44
ηAir (Pa.s)
ηMetanol (Pa.s) 0,000708 0,000688 0,000631 0,000507
Tabel 9. Viskositas Kloroform
tAvg T (oC)
Kloroform
(s)
ρKloroform
tAvg Air
ρAir
(g/mL)
(s)
(g/mL)
Ruang
3,90
1,498241
5,66
30
3,93
1,484173
6,00
ηAir (Pa.s)
0,99637
0,00084
7 0,99564
2 0,00079
9
7
ηKloroform (Pa.s)
0,000872 0,000778
Page 10 of 26
35
3,76
1,493942
5,66
40
3,76
1,528331
5,26
4.
0,99403
0,00071
3 0,99221
9 0,00065
6
3
0,000717 0,000718
Penentuan E dan A ln η=
Y = mx + c
E 1 x + ln A R T
;m=
E R
c = ln A
Tabel 10. Data untuk menentukan nilai E dan A
Larutan
T (oC)
1/T (1/K)
ηZat (Pa.s)
Ruang
0,003327
0,000842
30
0,003300
0,000797
35
0,003246
0,000719
40
0,003194
0,000653
Ruang
0,003327
0,000708
30
0,003300
0,000688
35
0,003246
0,000631
40
0,003194
0,000507
Ruang
0,003327
0,000872
30
0,003300
0,000778
35
0,003246
0,000717
40
0,003194
0,000718
Air
Metanol
Kloroform
ln ηZat 7,079730 7,134655 7,237649 7,333933 7,253066 7,281721 7,368204 7,586999 7,044721 7,158784 7,240434 Page 11 of 26
7,239040
Page 12 of 26
Grafik 1. Perbandingan ln η terhadap 1/T pada Air
Zat Air -6.9 -7 -7.1 ln η -7.2
f(x) = 1906.9x - 13.43
Linear ()
-7.3 -7.4 0
0
0
0
0
0
0
0
0
1/T (1/K)
Persamaan Regresi : y = 1906,9x - 13,426
1906,9 =
E R
- 13,426 = ln A A = e- 13,426
E = 1906,9 x 8,314 E = 15853,96 J.mol-1
A = 1,4762 x 10-6
Grafik 2. Perbandingan ln η terhadap 1/T pada Metanol
Zat Metanol -7 -7.2 ln η
-7.4
f(x) = 2460.14x - 15.41 Linear ()
-7.6 -7.8 0
0
0
0
0
0
0
0
0
1/T (1/K)
Persamaan Regresi : y = 2460,1x - 15,409
2460,1 =
E R
- 15,409 = ln A
Page 13 of 26
A = e- 15,409
E = 2460,1 x 8,314 E = 20453,27 J.mol-1
A = 2,0321 x 10-7
Grafik 3. Perbandingan ln η terhadap 1/T pada Kloroform
Zat Kloroform -6.9 -7 ln η
-7.1
f(x) = 1377.33x - 11.67
Linear ()
-7.2 -7.3 0
0
0
0
0
0
0
0
0
1/T (1/K)
Persamaan Regresi : y = 1377,3x – 11,67
1377,3 =
E R
- 11,67 = ln A
E = 1377,3 x 8,314
A = e- 11,67
E = 11450,87 J.mol-1
A = 8,5464 x 10-6
Tabel 11. Nilai E dan A untuk setiap Zat
Zat Air Metanol Kloroform
E (J.mol-1) 15853,98 20453,27 11450,87
A 1,4762 x 10-6 2,0321 x 10-7 8,5464 x 10-6
Page 14 of 26
5. Penentuan Tetapan Van der Waals
1 1 = x+ b ρ η
Y = mx + c
; c = b = tetapan Van der Waals
Tabel 12. Data untuk menentukan tetapan Van der Waals
Larutan Air
Metanol
Kloroform
T (oC) Ruang 30 35 40 Ruang 30 35 40 Ruang 30 35 40
ρZat (g/mL) 0,996377 0,995649 0,994033 0,992216 0,778947 0,805668 0,806477 0,809311 1,498241 1,484173 1,493942 1,528331
1/ ρ 1,003636 1,004370 1,006002 1,007845 1,283784 1,241206 1,239960 1,235618 0,667449 0,673775 0,669370 0,654308
ηZat (Pa.s) 0,000842 0,000797 0,000719 0,000653 0,000708 0,000688 0,000631 0,000507 0,000872 0,000778 0,000717 0,000718
1/ ηZat 1187,64 1254,70 1390,82 1531,39 1412,42 1453,48 1584,78 1972,38 1146,78 1285,34 1394,70 1392,75
Page 15 of 26
Grafik 4. Perbandingan 1/ ρ terhadap 1/ η pada Air
Zat Air f(x) = 0x + 0.99
1/ ρ
Linear ()
1100 1200 1300 1400 1500 1600
1/ η
Persamaan Regresi : y = 1E-05x + 0,989 b = 0,989
Grafik 5. Perbandingan 1/ ρ terhadap 1/ η pada Metanol
Zat Metanol 1.3 1.28 1.26 1/ ρ 1.24
f(x) = - 0x + 1.33
Linear ()
1.22 1.2 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1/ η
Persamaan Regresi : y = -5E-05x + 1,3344 b = 1,3344 Page 16 of 26
Grafik 6. Perbandingan 1/ ρ terhadap 1/ η pada Kloroform
Zat Kloroform 0.68 0.67
f(x) = - 0x + 0.7
1/ ρ 0.66
Linear ()
0.65 0.64 1100
1200
1300
1400
1500
1/ η
Persamaan Regresi : y = -3E-05x + 0,7013 b = 0,7013
Tabel 13. Nilai Tetapan Van der Waals untuk setiap Zat
Zat Air Metanol Kloroform
Tetapan Van der Waals 0,989 1,3344 0,7013
Page 17 of 26
VI.
PEMBAHASAN
Berdasarkan data pengamatan, didapatkan rata-rata nilai massa jenis zat Metanol 0,8 g/mL. Nilai tersebut hampir mendekati nilai massa jenis Metanol yang sebenarnya, yaitu 0,792 g/mL. Untuk nilai massa jenis Kloroform didapat 1,5 g/mL. Nilai tersebut mendekat nilai massa jenis Kloroform yang sebenarnya, yaitu 1,49 g/mL. Adanya ketidaksesuaian antara penghitungan dengan nilai yang sebenarnya disebabkan oleh kurang akuratnya pengambilan data. Untuk nilai viskositas yang dihasilkan, yaitu 0,000708 Pa.s untuk Metanol pada temperatur 27,5oC, nilai tersebut sangat jauh berbeda dengan nilai viskositas Metanol yang sebenarnya, yaitu 0,59 mPa.s pada suhu 20oC. Sedangkan untuk viskositas Kloroform pada perhitungan didapat 0,000872 Pa.s pada suhu 27,5oC dengan 0,000563 Pa.s sebagai nilai viskositas kloroform yang sebenarnya pada suhu 20oC. Hasil dari perhitungan cukup berbeda jauh dengan yang ada pada literatur. Hal ini disebabkan karena data yang digunakan pada literatur kondisinya tidak sama dengan yang ada pada percobaan ini (perbedaan temperatur), selain itu mungkin terdapat kesalahan dalam pengambilan data waktu rata-rata yang disebabkan karena batasan antara ketinggian yang satu dengan yang lainnya cukup dekat dan cepatnya aliran cairan sehingga data yang diambil kurang akurat. Untuk tetapan Van der Waals Air didapat 0,989, dimana nilai tesebut tidak sama dengan literatur, yaitu 0,03049. Untuk zat Metanol didapat 1,3344, dengan nilai 0,06584 pada literatur. Dan untuk zat Kloroform didapat 0,7013, dengan nilai 0,1022 pada literatur. Hal tersebut dikarenakan adanya kesalahan dalam meregresi data.
Page 18 of 26
Berdasarkan pengolahan data, viskositas air lebih besar daripada viskositas Metanol, dan viskositas air mendekati viskositas Kloroform meskipun viskositas Kloroform sedikit lebih besar daripada viskositas air. Hubungannya sebagai berikut : ηKloroform > ηAir > ηMetanol. Dalam percobaan ini dicari nilai tetapan Van der Waals untuk setiap zat. Penentuan tetapan Van der Waals ini dilakukan karena pada percobaan ini tetapan Van der Waals mempengaruhi viskositas suatu cairan. Dimana Viskositas akan naik jika ikatan rangkap semakin banyak dan jika ikatan antar molekulnya kuat. Oleh karena itu tetapan Van der Waals mempengaruhi ikatan antar molekul yang merupakan faktor yang mempengaruhi viskositas cairan. Berdasarkan data hasil percobaan, didapat ηKloroform > ηAir > ηMetanol. Hal tersebut terjadi karena beberapa faktor, yaitu temperatur, ikatan antar molekul, dan jumlah molekul. Semakin tinggi temperaturnya, maka viskositas yang dihasilkan akan semakin menurun. Hal tersebut dapat dibuktikan oleh data hasil pengamatan dimana hasil pengamatan sesuai dengan pernyataan tersebut. Ikatan antar molekul juga mempengaruhi viskositas, dimana semakin besar ikatan antar molekulnya, maka akan semakin besar pula viskositasnya. Acuan besar-kecilnya ikatan antar molekul ada pada tetapan Van der Waals. Semakin besar tetapan Van der Waals-nya maka ikatan antar molekulnya semakin kuat, sehingga viskositas cairan pun semakin tinggi. Dari data yang telah diolah didapat tetapan Van der Waals kloroform > air > metanol, sehingga hubungan viskositas ketiga cairan tersebut : ηKloroform > ηAir > ηMetanol. Selain itu, jumlah molekul zat juga berpengaruh terhadap viskositas. Dalam percobaan ini jumlah molekul yang dimaksud adalah densitas zat tersebut. Diketahui bahwa ρKloroform > ρAir > ρMetanol sehingga hubungan viskositas ketiga cairan tersebut : ηKloroform > ηAir > ηMetanol. Page 19 of 26
Aplikasi dari percobaan ini dalam bidang keilmuan Teknik Material adalah menentukan material yang cocok untuk digunakan sebagai bahan pompa. Bahan yang digunakan untuk pompa harus kuat dan sesuai dengan cairan yang akan dipompa. Apabila cairan yang akan dipompa memiliki viskositas yang tinggi, maka gaya yang diakibatkan akan semakin besar sehingga dibutuhkan pompa yang lebih kuat dibandingkan dengan pompa biasa. VII.
KESIMPULAN
Kesimpulan dari percobaan ini yaitu nilai densitas rata-rata Metanol adalah 0,8 g/mL, sedangkan untuk Kloroform 1,5 g/mL. Nilai Viskositas rata-rata Metanol adalah 0,000633 Pa.s, dan untuk Kloroform 0,000771 Pa.s. Nilai tetapan A Air adalah 1,4762 x 10-6, Metanol 2,0321 x 10-7, dan Kloroform 8,5464 x 10-6. Nilai energi ambang batas aliran E Air adalah 15853,98 J.mol-1, Metanol 20453,27 J.mol-1, dan Kloroform 11450,87 J.mol-1. Nilai tetapan Van der Waals Air adalah 0,989, Metanol 1,3344, dan Kloroform 0,7013. Semakin tinggi temperatur suatu cairan, maka akan semakin kecil viskositasnya.
Page 20 of 26
VIII. DAFTAR PUSTAKA
Ariyanti, E.S. dan Agus, M, 2010, “Otomasasi Pengukuran Koefisien Viskositas Zat Cair Menggunkan Gelombang Ultrasonik,” Jurnal Neutrino, voll. 2, No. 2 April 2010. Atkins, p.w, 1997, “Kimia Fisika,” Erlangga, Jakarta. Halliday dan Resnick, 1985, “Fisika,” Erlangga, Jakarta. Diakses 25 Oktober 2015 :
http://ridwan.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/10075/Ka rakteristik+Aliran+Fluida1.pdf. Diakses 25 Oktober 2015 : http://www.znu.ac.ir/data/members/rasoulifard_moha mmad/crc.pdf Diakses 25 Oktober 2015 : http://wiki.phy.queensu.ca/PHYS106/images/8/82/CRC .pdf
Page 21 of 26
IX.
LAMPIRAN 1. CRC
Page 22 of 26
Page 23 of 26
Page 24 of 26
Page 25 of 26
Page 26 of 26
