PENGUKURAN KOEFISIEN VISKOSITAS GLISERIN DENGAN VISKOMETER Oleh : Alif Syaiful Adam (14030184048) Anik Lutfiyah (14030184052) ABSTRAK Eksperimen tentang pengukuran koefisien viskositas gliserin dengan viskometer bertujuan untuk menganalisa hubungan jarak, massa dan diameter bola terhadap waktu. Dilakukan dengan cara mengukur massa bola, massa jenis gliserin, diameter bol, diameter dalam tabung dan fungsi zat cair dalam tabung. Selanjutnya mengukur jarak dan menjatuhkan bola ke dalam zat cair. Setelah itu diukur waktu bola hingga mencapai dasar. Nila koefisien viskositas bola I sebesar (0,700±0,021) N.s/m2 dan bola II sebesar (0.290±0,021) N.s/m 2. Nilai ini tidak sesuai dengan teori karena kesalahan paralaks dan juga pada kodisi lingkungan yang berfluktuasi. Dari percobaan dapat disebut pula bahwa semakin besar jarak yang diberikan maka semakin besar waktu yang dibutuhkan untuk sampai di dasar tabung, dan sebaliknya semakin besar massa dan diameter bola maka semakin kecil waktu yang dibutuhkan untuk sampai di dasar tabung.
I. PENDAHULUAN II. Kekentalan adalah sifat dari suatu zat cair (fuida) disebabkan adanya gesekan antara molekul-molekul zat cair dengan kohesi pada zat cair tersebut. Gesekan-gesekan inilah yang menghambat aliran zat cair. Suatu zat memiliki kemampuan tertentu sehingga suatu padatan yang dimasukkan ke dalamnya mendapat gaya tekanan yang diakibatkan peristiwa gesekan antara permukaan padatan tersebut dengan zat cair. Sebagai contoh, apabila dimasukkan bola kecil ke dalam zat cair, terlihat batu tersebut mula-mula turun dengan cepat kemudian melambat hingga akhirnya sampai di dasar zat cair. Oleh karena itu, percobaan ini dilakukan agar dapat mengetahui viskositas dari zat cair. III. Adapun tujuan dai percobaan ini adalah untuk menganalisa hubungan antara jarak terhadap waktu, massa terhdap waktu dan diameter bola terhadap waktu. Adapun rumusan masalah dari percobaan ini adalah “Bagaimana hubungan antara jarak
VI.
terhadap waktu?” ; “Bagaimana hubungan antara massa terhadap waktu?” dan “Bagaimana hubungan antara diameter terhadap waktu?” IV. V. DASAR TEORI VII. Viskositas gerak fluida adalah analogi dari gesekan di dalam gerak benda padat. Viskositas memperkenalkan gaya-gaya tangensial di antara lapisan-lapisan fluida di dalam gerak relative dan mengakibatkan disipasi tenaga mekanis. VIII. Istilah viskositas umumnya digunakan dalam menjelaskan aliran fluida untuk menandakan derajat gesekan internal pada fluida. Gesekan internal atau gaya viskos berkaitan dengan hambatan yang dialami oleh dua lapisan fluida yang bersebelahan untuk bergerak relative satu terhadap yang lain. Viskositas menyebabkan sebagian energi kinetic dari fluida berubah menjadi energy internal.mekanisme ini mirip dengan benda yang meluncur pada permukaan
horizontal kasar yang kehilangan energi kinetiknya. IX. Viskositas juga dapat diartikan sebagai ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas zat cair, maka semakin sulit fluida untuk mengalir dan semaikin sulit suatu benda bergerak dalam fluida tersebut. Viskositas ada pada zat cair maupun gas, dan pada intinya merupakan gaya gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida saat lapisan-lapisan tersebut bergerak satu melewati yang lainnya. Pada zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antar molekul. Pada gas, viskositas muncul dari tumbukan antar molekul. X. Pada tahun 1845 sir George Stokes menunjukkan bahwa suatu bola berjari-jari (r) yang bergerak dengan kecepatan (v) di dalam suatu fluida homogeni, akan mengalami gaya gesekan fluida (F) sebesar : XI.
XII.
F=kηv
XXI. (m/s)
v
=kelajuan
XXII.
XXIII. Viskositas sering dinyatakan dalam sentipoise (Cp), yang besarnya seperseratus poise. Tabel 2.1 menujukkan koefisien viskositas untuk berbagai fluida. Temperature juga dicantumkan, karena mempunyai efek yang kuat viskositas zat cair seperti minyak sepeda motor, misalnya, menurun dengan cepat terhadap naiknya temperature. XXIV.
Tabel 1 Koefisien viskositas untuk berbagai fluida
XXV. Fl ui da
XXVI. Te
………………..
(1) XIII.
XIV. Dengan k adalah konstanta yang bergantung pada bentuk geometris benda. Untuk benda π berbentuk bola nilai k = 6 r, bila disubtitusikan ke persamaan (1) diperoleh persamaan hokum stikes sebagai berikut: XV. XVI. Fs=6 π rv …………………(2) XVII.
XVIII. Dengan : Fs= gaya gesekan Stokes (N) η = koefisien XIX. viskositas fluida XX. r =jari-jari bola (m)
bola
XXVII. K o e fi s i e n V i s k o s it a s ( N . s / m 2
XXVIII. Air XXIX. XXX. XXXI. D ar ah
XLII. 0 XLIII. 20 XLIV. 10
LV.
) 1 , 8 x 1 0 -3
ut uh XXXII. Pl as m a da ra h XXXIII. Ethyl Al ko ho l XXXIV. Oli mesin (S A E 10 ) XXXV. Gl es er in XXXVI. XXXVII. Udara XXXVIII. Hidrogen XXXIX. Uap air XL. XLI. 1 Pa .s = 10 Pa = 10 00 cP
XLV. 37 XLVI. 37 XLVII. 20 XLVIII. 30 XLIX. L. 20 LI. 30 LII. 20 LIII. 0 LIV. 10
LVI.
1 , 0 x 1 0
0 -3 LXIV.
-3 LVII.
0 , 3 x 1 0
-3 LXV.
-3 LVIII.
4 x 1 0 -3
LIX.
1 , 5 x 1 0 1 , 2 x 1 0 -3
LXI.
2 0 0 x 1 0 -3
LXII. LXIII.
1 5 0 0 x 1
0 , 0 0 1 8 x 1 0 -3
LXVI.
-3 LX.
6 2 9 x 1 0
0 , 0 0 9 x 1 0 -3
LXVII.
1 , 8 x 1 0 -3
LXVIII.
LXIX. Benda yang akan dijatuhkan pada zat cair tanpa kecepatan awal akan mendapatkan percepatan dengan gaya-gaya yang bekerja : LXX.
Dengan : v =¿ kecepatan yang telah dikoreksi (m/s) v ' =¿ kecepatan XCI.
XC.
berdasarkan pengamatan (m/s) r=¿ Jari-jari bola XCII. (m) R=¿ Jari-jari XCIII. dalam tabung (m) L=¿ Panjang zat XCIV. cair dalam tabung (m) XCV.
LXXI. LXXII.
Gambar 1 Gaya yang bekerja pada saat bola di dalam air
LXXIII. Σ F=W −F A −F R =m. a
LXXIV.
………..(3) LXXV.
LXXVI. dengan W adalah gaya berat benda, FA gaya angkat ke atas dan Fr adalah gaya gesek zat cair. LXXVII. Semakin besar kecepatan, gaya gesek akan makin membesar, sehingga suatu saat akan terjadi keseimbangan dinamis(benda bergerak tanpa kecepatan): LXXVIII.
Fr =W −F A ……………
LXXIX.
…………(4) LXXX. LXXXI. Dengan memasukkan harga gaya-gaya, diperoleh: Fr=Fr LXXXII.
XCVI. XCVII.
XCVIII. METODE EKSPERIMEN 1. Alat dan Bahan a. Peralatan viskometer b. Bola baja c. Hidrometer d. Jangka sorong e. Micrometer skrup f. Neraca g. Stopwatch h. Gliserin 2. Gambar rancangan percobaan
6 πηvr=W −F A
LXXXIII. LXXXIV.
2. r 2 . g ( ρbola −ρcairan ) η= …….. 9v (5) LXXXV.
LXXXVI. Untuk Ketelitian diperlukan factor koreksi : LXXXVII. LXXXVIII.
r r v =v 1+2,4 1+3,3 =k . v ' ….(6) R L '
(
)(
LXXXIX.
)
XCIX. C.
Gambar 2
Desain percobaan
3. Variabel-variabel percobaan CI. Variable manipulasi 1 = massa (m)
CII. Definisi operasional variable manipulasi : massa bola yang digunakan semakin lama, semakin besar, yang ditimbang dahulu dengan neraca digital yang dilakukan 2 kali manipulasi massa yaitu 0,0057 kg dan 0,001 kg. CIII. Variabel manipulasi 2 = diameter (d) CIV. Definisi operasional variabel manipulasi : diameter bola yang digunakan semakin lama, semakin besar, diukur menggunakan micrometer skrup yang dilakukan 2 kali manipulasi diameter yaitu 0,0111 m dan 0,00634 m. CV. Variable manipulasi 3 = jarak (s) CVI. Definisi operasional variabel manipulasi : jarak pada tabung viskositas yang digunakan semakin lama, semakin besar, yang diukur menggunakan penggaris dari titik acuan bawah, dilakukan 5 kali manipulasi jarak yaitu 0,2 m ; 0,3 m ; 0,4 m ; 0,5 m ; 0,6 m ; 0,7 m dan 0,8 m CVII. CVIII. Variabel respon = waktu (t) CIX. Defini operasional variable respon : besarnya waktu yang dibutuhkan bola ketika dijatuhkan hingga mencapai dasar tabung viskositas. CX. Variabel control = jari-jari dalam tabung (R), panjang zat cair dalam tabung (L) dan suhu ruangan (T) CXI. Definisi operasional variable control: 1. Panjang jari-jari bagian dalam tabung viscometer dan diukur dengan Jangka sorong. Panjang dikontrol sebesar 1,29x10-2 m.
2. Ketinggian zat cair pengisi tabung viscometer dan diukur dengan penggaris. Panjang dikontrol sebesar 0,9 m. 3. Suhu ruangan dikontrol dengan asumsi bahwa nilai suhu sebesar 30°C. 4. Langkah-langkah Percobaan CXII. Mengukur massa bola menggunakan neraca, mengukur massa jenis gliserin dengan hidrometer, mengukur diameter bola dengan mikrometer skrup, mengukur diameter dalam tabung menggunakan jangka sorong lalu mengukur panjang zat cair dalam tabung. Selanjutnya mengukur jarak pada tabung viscometer dan menandainya. Setelah itu menjatuhkan bola ke dalam zat cair dan mengamati apabila bola telah melewati tanda maka dengan cepat menekan tombol stopwatch. Penekanan tombol stopwatch untuk mengakhiri pengukuran waktu apabila benda telah mencapai dasar tabung. Kemudian waktu yang diperoleh dicatat dan mengulangi percobaan ini selama tiga kali dengan menggunakan dua massa yang berbeda dan pada tujuh jarak yang berbeda. CXIII. HASIL DAN PEMBAHASAN CXIV. Berdasarkan eksperimen tentang pengukuran koefisien viskositas gliserin dengan viskometer diperoleh data sebagai berikut: CXV. Percobaan Bola 1 CXVI. Tabel 2. Data Hasil Percobaan Bola 1 CXVII. CXVIII. CXX. CXIX. N s ɳ t (s) CXXI.CXXII. CXXIII. CXXIV. 1 0, 0,67 0,726
CXXV.CXXVI. CXXVII. CXXVIII. 2 0, 1,00 0,726
CLXVIII. CLXIX. CLXX. 4 0, 1,80
CLXXI. 0,307
CXXIX. CXXX. CXXXI. CXXXII. 3 0, 1,20 0,654
CLXXII. CLXXIII. CLXXIV. 5 0, 2,00
CLXXV. 0,284
CLXXVI. CLXXVII. CLXXVIII. CLXXIX. 6 0, 2,20 0,268
CXXXIII. CXXXIV. CXXXV. CXXXVI. 4 0, 1,80 0,784 CXXXVII. CXXXVIII. CXXXIX. CXL. 5 0, 2,00 0,726 CXLI. CXLII. CXLIII. 6 0, 2,20
CXLIV. 0,685
CXLV.CXLVI. CXLVII. CXLVIII. 7 0, 2,40 0,654 CXLIX. Dengan g=9,8 2 m/s :m=0,0057 kg; r=0,00555 m; R=0,0129 m; ρcairan=1220 kg/m3; l=0,9 m CL. Percobaan Bola 2 CLI. Tabel 3. Data Hasil Percobaan Bola 2 CLV.
CLII. CLIII. CLIV. N s t (s)
ɳ ( N . s / m 2
CLVI. CLVII. CLVIII. 1 0, 0,67
CLX. CLXI. CLXII. 2 0, 1,00 CLXIV. CLXV. CLXVI. 3 0, 1,33
) CLIX. 0 , 2 8 4 CLXIII.0 , 2 8 4 CLXVII. 0,284
CLXXX. CLXXXI. CLXXXII. 7 0. 2.40
CLXXXIII. 0,256
CLXXXIV. Dengan g=9,8 m/s2; m=0,001 kg; r=0,00317 m; R=0,0129 m; ρcairan=1220 kg/m3; l=0,9 m CLXXXV. Untuk percobaan 1 dan 2, dimana untuk menentukan nilai koefisien viskositas gliserin dengan melakukan manipulasi terhadap jarak tempuh bola (h). Kemudian untuk mendapatkan nilai koefisien viskositas gliserin (ɳ) dengan persamaan 2 2. r . g ( ρbola −ρcairan ) η= dan 6v menentukan nilai cepat rambat bola baja pada zat cair ( v ) dengan persamaan CLXXXVI. r r v =v ' 1+2,4 1+3,3 =k . v ' R L
(
)(
)
.
CLXXXVII. Dari substitusi nilainilai yang didapat pada percobaan dalam persamaan di atas, didapat nilai ɳ rata-rata dari tiga kali percobaan dengan jarak tempuh bola (h) yang berbeda sebanyak tujuh kali pada bola 1 yaitu sebesar 0,7 N.s/m2 dengan taraf ketelitian sebesar 97,86% dan pada bola 2 yaitu sebesar 0,29 N.s/m2 dengan taraf ketelitian sebesar 97,9%. Jika dari data yang didapat, dibuat grafik antar jarak ketinggian yang berpengaruh terhadap waktu tempuh (dengan manipulasi jarak
dan massa) maka akan diperoleh grafik sebagai berikut: CLXXXVIII.
CLXXXIX. Dari grafik tersebut di atas dapat kita analisa nilai koefisien viskositas gliserin yaitu sebesar 0.69 N.s/m2. Nilai η ini diperoleh dari analitik grafik, yaitu dengan persamaan : CXC. 2 m.2 r g( ρb−ρ c ) η= r r 9 1+2,4 (1+3,3 ) R L
(
)
CXCI. Dimana, persamaan grafik yang diperoleh dari grafik CXCII. Bola I CXCIII. y = 3.249x+0,1095 CXCIV. R2 = 0,9728 CXCV. Bola II CXCVI. y=2,954x+0,1524 CXCVII.R2=0,9776 CXCVIII. Nilai yang dihitung berdasarkan analisis grafik tersebut 0.69 N.s/m2 berbeda sedikit dengan perhitungan analisis rumus pada bola I sebesar 0,7N.s/m2 karena ketidakteraturan data sehingga tidak banyak titik yang terlewati oleh garis. Namun apabila nilai pada perhitungan analisis grafik dibulatkan agara didapatkan satu angka di belakang koma, maka nilai kedua perhitungan
dengan cara yang berbeda ini memiliki nilai yang sama. CXCIX. Nilai yang dibandingkan pada kedua analisis perhitungan hanya dilakukan pada bola 1 karena nilai η bola 2 berbeda jauh dengan teori. CC. Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh koefisien viskositas zat yang memiliki nilai berbeda pada setiap massa yang berbeda pula. Massa bola 1 yang bernilai lebih besar memiliki nilai koefisien viskositas dan bola 2. Nilai ini berbeda karena dipengaruhi oleh jari-jari yang akan berpengaruh pada perhitungan massa jenis bola tersebut. Massa jenis bola nantinya digunakan dalam perhitungan nilai koefisien viskositasnya. Akan tetapi, kedua nilai ini berbeda dengan teori. Percobaan yang dilakukan pada suhu 30°C, dimana pada suhu tersebut besar nilai koefisien viskositas yang terdapat dalam teori sebesar 0,629 N.s/m2. Hal ini karena banyak kemungkinan kesalahan yang terjadi saat percobaaan. Kesalahan tersebut pada saat penekanan tombol stopwatch dan pembacaan skalanya kurang akurat. Pada saat bola dijatuhkan, memungkinkan terdapat kecepatan awal saat memasukkan bola pada zat cair karena dilakukan tanpa menggunakan holding magnet. Selain itu, tekanan udara pada sekitar tidak dikontrol karena pada teori nilai tekanan semakin besar maka nilai koefisien viskositasnya kecil. Kesalahan lain yang memungkinan karena kesalahan pengukuran massa jenis gliserin yang tidak sesuai dengan teori sehingga nilai viskositasnya berbeda. Nilai massa jenis gliserin pada teori seharusnya 1260 kg/m3. Mesikpun demikian tetap tampak
adanya hubungan yang konsisten yaitu untuk jarak tempuh bola yang semakin besar maka waktu tempuhnya juga semakin besar. Begitu pula untuk variasi diameter dan massa bola logam juga tampak adanya hubungan yaitu untuk diameterdan massa bola logam yang semakin besar maka waktu tempuhnya semakin kecil. CCI. CCII. CCIII. KESIMPULAN DAN SARAN CCIV. Berdasarkan analisis data dan pembahasan di atas, dapat diambil kesimpulan bahwa : 1. Semakin besar jarak yang diberikan maka waktu yang dibutuhkan juga semakin besar . 2. Semakin besar massa bola maka waktu yang dibutuhkan semakin kecil. 3. Semakin besar diameter bola maka waktu yang dibutuhkan semakin kecil. CCV. CCVI. Adapun saran dari penulis yakni: 1. Menggunakan penanda permanen untuk menentukan jarak yang harus
ditempuh bola sebagai besaran yang dimanipulasi. 2. Eksperimen dilakukan dengan sabar dan hati-hati sehingga diperoleh hasil yang sangant teliti, terutama dalam membaca skala (stopwatch). 3. Mengontrol ketinggian zat cair secara berkala karena pada saat pengangkatan bola dari viscometer zat cair akan terbawa secara tidak sengaja. 4. Menghitung suhu ruangan secara tepat karena viskositas zat cair berubah seiring berubahnya suhu lingkungan dan mencari nilai koefisien gliserin sesuai suhu ruang saat melakukan percobaan. CCVII. CCVIII. DAFTAR PUSTAKA CCIX. Jewett, Serway. 2009. Fisika untuk Sains dan Teknik Buku I Edisi 6. Jakarta: Salemba Teknika. CCX. Mulyaningsih, Sri dkk. 2007. Fisika dasar I, Seri I: Mekanika. Surabaya: Unesa University Press. CCXI. Resnick, Halliday. 1987. Fisika, Jilid 1 Edisi Ketiga. Jakarta : Erlangga. CCXII.
CCXIII. CCXIV. CCXV. CCXVI. CCXVII. CCXVIII. CCXIX. CCXX. CCXXI. CCXXII. CCXXIII. CCXXIV. CCXXV. CCXXVI. CCXXVII.
