KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena dengan rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya lah saya dapat menyelesaikan makalah Sifat-sifat zat cair ini sebatas pengetahuan dan kemampuan yang dimiliki. Saya berterima kasih pada Bapak Besperi, S.T, M.T selaku Dosen mata kuliah Hidraulika I yang telah memberikan tugas ini kepada saya.
Saya sangat berharap makalah ini dapat berguna dalam rangka menambah wawasan serta pengetahuan kita mengenai sifat-sifat zat cair . Saya juga menyadari sepenuhnya bahwa di dalam tugas ini terdapat kekurangan-kekurangan dan jauh dari apa yang Saya harapkan. Untuk itu, saya berharap adanya kritik, saran dan usulan demi perbaikan di masa yang akan datang, mengingat tidak ada sesuatu yang sempurna tanpa sarana yang membangun.
Semoga makalah ini dapat dipahami bagi siapapun yang membacanya. Sekiranya makalah yang telah disusun ini dapat berguna bagi saya sendiri maupun orang yang membacanya. Sebelumnya saya mohon maaf apabila terdapat kesalahan kata-kata yang kurang berkenan.
Bengkulu, Juni 2016
Penyusun,
Makalah Sifat-Sifat Zat Cair
Hidraulika I
Oleh:
YOGI YUDHATAMA
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS BENGKULU
2016
BAB I
PENDAHULUAN
Hidraulika berasal dari kata hydor dalam bahasa Yunani yang berarti air. Dengan demikian ilmu hidraulika dapat didefinisikan sebagai cabang dari ilmu teknik yang mempelajari perilaku air baik dalam keadaan diam maupun bergerak.
Sudah sejak lama ilmu hidraulika dikembangkan di Eropa, yang pada waktu itu digunakan sebagai dasar dalam pembuatan bangunan-bangunan air. Ilmu tersebut dikembangkan berdasarkan pendekatan empiris dan eksperimental dan terutama hanya digunakan untuk mempelajari perilaku air, sehingga ruang lingkupnya terbatas.
Dengan berkembangnya ilmu aeronotika, teknik kimia, mesin, sipil, pertambangan dan sebagainya, maka diperlukan ilmu dengan tinjauan yang lebih luas. Keadaan ini telah mengantarkan para ahli untuk menggabungkan ilmu hidraulika eksperimen dengan hidrodinamika klasik, dan ilmu baru tersebut dikenal dengan mekanika fluida. Ilmu mekanika fluida mempunyai ruang lingkup yang lebih luas, yaitu mempelajari perilaku fluida baik dalam bentuk zat maupun gas.
Hidraulika dapat dibedakan dalam dua bidang yaitu hidrostatika yang mempelajari zat cair dalam keadaan dian, dan hidrodinamika yang mempelajari zat cair bergerak. Di dalam hidrodinamika dipelajari zat cair ideal, yang tidak mempunyai kekentalan dan tidak termampatkan. Sebenarnya zat cair ideal tidak ada di alam. Tetapi anggapan zat cair ideal perlu dilakukan terutama untuk memudahkan analisis perilaku gerak zat cair. Air mempunyai kekentalan dan pemampatan (pengurangan volume karena pertambahan tekanan) yang sangat kecil, sehingga pada kondisi tertentu dapat dianggap sebagai zat cair ideal.
Ilmu hidraulika mempunyai arti penting mengingat air merupakan salah satu jenis fluida yang sangat penting bagi kehidupan manusia. Air sangat diperlukan untuk kebutuhan hidup sehari-hari seperti minum, irigasi, pembangkit listrik, dan sebagainya. Perencanaan bangunan air untuk memanfaatkan dan mengaturbya merupakan bagian dari teknik hidro yang termasuk dalam bidak teknik sipil. Bidang teknik hidro masih dapat dibagi menjadi beberapa bidang, diantaranya adalah sebagai berikut.
Hidrologi Terapan, yang merupakan aplikasi dari prinsip-prinsip hidrologi seperti hidrometeorologi, pengembangan air tanah, perkiraan debit sungai, hidrologi perkotaan dan sebagainya.
Teknik Irigasi dan Drainasi, yang meliputi perencanaan dan pelaksanaan pekerjaan jaringan dan bangunan-bangunan irigasi dan drainasi permukaan serta bawah tanah.
Teknik Transportasi Air, yang meliputi perencanaan dan pelaksanaan pekerjaan pelabuhan, serta saluran-saluran pelayaran.
Bangunan Tenaga Air, yang terdiri dari pengembangan tenaga hidroelektrik dengan menggunakan waduk, turbin, dan fasilitas-fasilitasnya.
Pengendalian Banjir dan Sedimen, yang meliputi perencanaan dan pelaksanaan bangunan-bangunan pengendali banjir dan penanggulangan erosi dan sedimentasi.
Teknik Bendungan, diantaranya merencanakan dan melaksanakan pekerjaan bendungan dan bangunan-bangunan pelengkapnya. Bendungan merupakan bangunan utama untuk pekerjaan lainnya seperti irigasi, pengendalian banjir, dan pembangkit listrik tenaga air.
Teknik Jaringan Pipa, seperti pengangkutan / pengaliran air, minyak, gas dan fluida lainnya melalui sistem pemipaan.
Teknik Pantai, yang meliputi perencanaan dan pelaksanaan bangunan-bangunan pelabuhan dan penanggulangan erosi pantai serta bangunan lepas pantai.
Teknik Sumber Daya Air, yang meliputi perancangan sistem waduk (reservoir) dan fasilitas-fasilitas lainnya untuk mencapai penggunaan sumber daya air secara optimum.
Teknik Penyehatan, yang meliputi sistem pengumpulan dan distribusi air untuk berbagai keperluan dan sistem pembersihan (treatment) dari air buangan.
Fluida adalah zat yang bisa mengalir,yang mempunyai partikel yang mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Tahanan fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil, sehingga fluida dapat dengan mudah mengikuti bentuk ruangan atau tempat yang membatasinya. Fluida dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu zat cair dan gas.
Zat cair dan gas mempunyai sifat-sifat serupa , yang terpenting adalah sebagai berikut ini :
Kedua zat ini tidak melawan perubahan bentuk.
Kedua zat tidak mengadakan reaksi terhadap gaya geser , yaitu gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan lapisan-lapisan zat cair atau gas yang mencoba untuk menggeser lapisan-lapisan tersebut antara satu terhadap yang lain.
Sedangkan perbedaan utama antara zat cair dan gas adalah sebagai berikut:
Zat cair mempunyai permukaan bebas , dan massa zat cair hanya akan mengisi volume yang diperlukan dalam suatu ruangan; sedangkan gas tidak mempunyai permukaan bebas dan massa nya akan mengisi seluruh ruangan.
Zat cair merupakan zat yang praktis tak termampatkan , sedangkan gas adalah zat yang bisa dimampatkan .
Zat cair mempunyai beberapa sifat berikut ini
Apabila ruangan lebih besar dari volume zat cair, akan tebentuk permukaan bebas horizontal yang berhubungan dengan atmosfer.
Mempunyai rapat massa dan berat jenis.
Dapat dianggap tidak termampatkan (incompressible).
Mempunyai viskositas (kekentalan).
Mempunyai kohesi,adhesi dan tegangan permukaan.
Diantara sifat tersebut, yang terpenting adalah rapat massa, berat jenis, dan viskositas.
BAB II
PEMBAHASAN
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).
Massa jenis zat dapat diukur. Secara matematis, massa jenis zat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut.
ρ = m/V atau m = ρ x V atau V = m/ρ
Dengan,
ρ = Massa jenis zat (kg/m3 atau g/cm3 )
m = Massa benda (kg atau g)
V = Volume benda (m3 atau cm3 )
Rapat massa air ( ρ air) pada suhu 4 oC dan pada tekanan atmosfer (p atm) adalah 1000 kg/m3.
Berat jenis (γ) 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)
Ket :
γ = Berat jenis (N/m3)
W = Berat
V = Volume
M = Massa
g = Gravitasi
Ρ = Rapat masa (kg/dt2)
g = grafitasi (m/dt2)
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).
Rumus Rapat Relatif (S)
Ket:
S = rapat relatif
ρ = Massa Jenis
γ = Berat jenis
Tabel 2.1 sifat-sifat air pada tekana atmosfer
Contoh soal
Suatu tangki berisi zat cair dengan massa 1200 kg dan volume 0,952 m3. Hitung berat, rapat massa, berat jenis dan rapat jenis zat cair.
Jawab :
Soal ini menggunakan sistem satuan SI.
Berat zat cair dihitung dengan hukum Newton
Atau
Rapat massa dihitung dengan Rumus :
Berat jenis dihitung dengan Rumus :
Rapat relatif dihitung dengan Rumus :
2.2 Kemampatan Zat Cair
Kemampatan zat cair didefinikan sebagai perubahan (pengecilan) volume karena adanya perubahan (penambahan) tekanan, yang ditunjukkan oleh perbandingan antara perubahan tekanan dan perubahan volume terhadap volume awal. Perbandingan tersebut dikenal dengan modulus elastisitas. Apabila dp adalah pertambahan tekanan dan dN adalah pengurangan volume dari volume awal V, maka :
Ket:
dp : Pertambahan tekanan
dV : Pengurangan volume
V : Volume awal
Nilai K untuk zat cair adalah sangat besar sehingga perubahan volume karena perubahan tekanan adalah sangat kecil, sehingga perubahan volume zat cair yang sering diabaikan dan zat cair dianggap sebagai zat tak termampatkan. Tetapi pada kondisi tertentu dimana perubahan tekanan sangat besar dan mendadak, maka anggapan zat cair adalah tak
termamfatkan tidak bisa berlaku, contohnya penutupan katub turbin pembangkit listrik.
Contoh soal
Modulus elastisitas air 'K' = 2,24 x 109 N/m2
Berapa perubahan volume dari 1 m3 air bila terjadi pertambahan tekanan 20 bar (1 bar = 10 ton/m2 = 105 N/m2)
Penyelesaian:
Persamaan
Atau persamaan :
Terlihat, dengan pertambahan tekanan yang sangat besar, terjadi perubahan volume yang sangat kecil.
kekentalan zat cair
Kekentalan (viscosity)
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 molekul molekul yang bergerak. Zat cair ideal tidak memiliki kekentalan. Kekentalanzat cair dapat dibedakan menjadi dua yaitu kekentalan dinamik (μ ) atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis ( υ).
υ= μ/ τ
dengan
μ = kekentalan dinamis (kg/m.det)
ν = kekentalan kinematis (m2/det)
ρ = densitas fluida (kg/m3)
Kekentalan adalah sifat dari zat cair untuk melawan tegangan geser (t) 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 (n).
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.
Contoh soal :
Hitung viskositas kinetika zat cair yang mempunyai rapat relatif 0,95 dan viskositas dinamik 0,0011 d/m3.
Jawab :
Gunakan Rumus berikut :
Penurunan satuan kekentalan kinematik :
Tegangan Permukaan
Tegangan Permukaan Zat Cair
Sebagai akibat dari adanya kohesi zat cair dan adhesi antara zat cair-udara diluar permukaannya, maka pada permukaan zat cair selalu terjadi tegangan yang disebut tegangan permukaan.
" Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi leh suatu lapisan elastis "
Tegangan permukaan air berbanding terbalik dengan suhunya. Jika suhu air naik maka tegangan permukaannya semakin kecil.
Contoh Peristiwa Tegangan Permukaan Zat Cair
1. Beberapa jenis serangga kecil bisa berjalan di atas air.
2. Jarum kecil bisa terapung di atas air.
3. Sabun Mandi dan Detergen
4. Produk sabun mandi dan detergen selain untuk membunuh kuman di badan juga berguna menurunkan tegangan permukaan air akan air dapat membasahi tubuh lebih sempurna dan hasilnya akan lebih bersih.
Rumus Tegangan Permukaan Zat Cair
Tegangan permukaan (gama) merupakan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan dengan panjang permukan tempat gaya tersebut bekerja. Rumus fisikanya
γ = F/d
γ =tegangan permukaan (N/m atay Dyne/cm)
d =panjang permukaan (m atau cm)
f =gaya tegangan
Contoh Soal
Sebatang kawat dibengkokkan seperti huru U. Kemudian kawat kecil PQ yang bermassa 0,2 gram dipasang dalam kawat tersebut(perhatikan gambar). Kemudian kawat tersebut dicelupkan ke dalam cairan sabun dan diangkat vertikal sehingga ada lapisan tipis sabun di antara kawat tersebut. Ketika ditarik ke atas kawa kecil mengalami gaya tarik ke atas oleh lapisan sabung. Agar terjadi keseimbangan, maka pada kawat kecil PQ digantungkan benda dengan massa 0,1 gram. Jika panjang kawat PQ = 10 cm dan nilai gravitasi 9,8 m/s2, berapa tegangan sabun tersebut?
Pembahasan:
Diketahui :
Massa kawat = 0,2 gram = 2 x 10-4 kg
Panjang kawat (l) = 10 cm = 10-1 m
Massa benda = 0,1 gram = 1 x 10-4 kg; g = 9,8 m/s2
Ditanyakan : tegangan permukaan lapisan sabun (g)?
Rumus
γ = F/d ( d = 2l)
F = berat kawat ditambah berat benda = 3 x 10-4 kg x 9,8 = 2,94 x 10-3 N
γ = 2,94 x 10-3/ 2x 10-1 = 1,47 x 10-2 N/m.
Jadi besarnya tegangan permukaan adalah 1,47 x 10-2 N/m.
2.6 Kapilaritas
Kapilaritas adalah gejala naik atau turunnya permukaan zat cair pada pipa kapiler (pembuluh yang sempit). Ternyata permukaan air pada pipa kapiler lebih tinggi dari pada permukaan air pada bejana A. Sedangkan permukaan air raksa pada pipa kapiler lebih rendah dari pada permukaan air raksa pada bejana B. Semakin kecil diameter pipa kapiler ternyata mengakibatkan semakin tinggi permukaan zat cair pada pipa kapiler untuk zat yang membasahi dinding tabung, atau semakin rendah permukaan zat cair pada pipa kapiler untuk zat yang tidak membasahi dinding. Peristiwa naik atau turunnya zat cair di dalam pipa kapiler ini yang disebut dengan efek kapilaritas.
Kapilaritas Pada Air
Permukaan Air Dalam Pipa Kapiler
Kita dapat mengamati bahwa tinggi permukaan air dalam pipa kapiler lebih tinggi daripada tinggi air dalam bejana. Hal ini berarti permukaan air naik dalam pipa kapiler. Jika diameter pipa kapiler makin kecil, tinggi permukaan air dalam pipa kapiler makin tinggi.
Pasti kita pernah menyalakan kompor ketika akan memasak. Pernahkah kita berpikir mengapa minyak tanah yang ada di bawah dapat bergerak naik sehingga api kompor menyala? Minyak tanah naik bergerak melalui sumbunya yang terbuat dari kain yang berpori-pori kecil. Begitu juga dari kegiatan tadi, ketika air berada pada pipa kapiler ternyata air naik pada bagian pipa yang terkecil. Peristiwa ini dinamakan kapilaritas. Yaitu peristiwa naiknya zat cair pada pembuluh atau celah kecil atau pori-pori kecil. Air pada pembuluh atau celah kecil akan lebih tinggi dari yang lainnya itu, akibat adhesi (partikel air dan partikel gelas) lebih besar dari kohesinya (partikel air).
Kapilaritas Pada Air Raksa
Permukaan Air Raksa Dalam Pipa Kapiler
Lain lagi dengan raksa. Raksa pada pembuluh atau celah kecil akan lebih rendah dari yang lebih besar lainnya, akibat kohesi antar partikel raksa lebih besar dari pada adhesi partikel raksa dan partikel gelas.
Ketinggian yang dicapai fluida dalam pipa kapiler tergantung pada besar tegangan permukaannya. Seperti yang telah dibahas pada artikel sebelumnya, tegangan permukaan dihasilkan oleh gaya permukaan yang bekerja di sekeliling permukaan fluida. Ketinggian fluida dalam pipa kapiler dapat ditentukan dengan rumus :
h =
2γ
ρ.g.r
Dengan :
h = ketinggian fluida dalam pipa kapiler (m)
γ = tegangan permukaan (N/m)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
g = panjang permukaan benda (m/s2)
r = jari-jari pipa kapiler (m)
Akan tetapi, mengingat bahwa gaya adhesi dan kohesi mengakibatkan sifat meniskus permukaan fluida (air cekung, raksa cembung) sehingga besar komponen gaya permukaan dalam arah vertikal dipengaruhi oleh sudut kontak. Dengan demikian persamaan di atas dapat disempurnakan menjadi :
h=
2γ cos θ
ρ.g.r
Dengan :
θ = sudut kontak fluida dengan pipa.
Contoh Soal :
Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan ke dalam air secara vertikal sudut kontaknya 60o. Jika tegangan permukaan air adalah 0,5 N/m, maka tentukanlah kenaikan air dalam tabung.
Pembahasan :
H=
2 γ cos θ
ρ g r
H= 2 (0,5) cos 60o
( 103) (10) (2 x 10-3)
H= 0,025 m
H=
2 (0,5) (½)
20
Tentukanlah penurunan air raksa dalam sebuah pipa berjari-jari 2 mm jika sudut kontak raksa dengan kaca sebesar 150o, tegangan permukaan 0,545 N/m dan massa jenis raksa 13.600 kg/m3.
Pembahasan :
h=
2 γ cos θ
ρ g r
h=
2 (0,545) cos 150o
(13.600) (10) (2 x 10-3)
h=
2 (0,545) (-½ 3)
272
h = -0,0034 m
h = -3,4 mm.
Tanda negatif menunjukkan penurunan raksa. Jadi air raksa turun setinggi 3,4 mm.
Peristiwa kapilaritas Dalam Kehidupan
Contoh peristiwa kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari:
naiknya minyak tanah pada sumbu kompor sehingga kompor dapat menyala,
naiknya minyak tanah pada sumber lampu tempel sehingga lampu itu menyala,
naiknya air pada musim hujan sehingga dinding rumah basah,
naiknya air tanah melalui akar dengan pembuluh-pembuluh tumbuhan,
air menggenang dapat diserap dengan kain pel, spons, atau kertas isap, dan
cairan tinta yang tumpah dapat diserap oleh kapur tulis atau kertas isap.
Dari contoh peristiwa kapilaritas tersebut diatas maka efek kapilaritas ini memiliki manfaat seperti pada penerapan naiknya minyak tanah pada sumbu kompor sehingga kompor dapat menyala. Sedangkan peristiwa naiknya air pada musim hujan sehingga dinding rumah basah adalah salah satu peristiwa yang merugikan dari efek kapilaritas.
2.7 Tekanan uap
Zat cair yang terbuka pada gas akan mengalami penguapan. Penguapan terjadi karena molekul zat cair selalu bergerak sehingga beberapa molekul pada permukaan akan mempunyai energi untuk melepas diri dari tarikan molekul-molekul yang ada di sekitarnya dan berpindah ke ruang yang ada di atasnya.
Beberapa molekul zat cair yang mempunyai energi tinggi akan meninggalkan zat cair dan berubah dalam kondisi uap yang bergabung dengan udara diatasnya.
Semakin banyak molekul zat cair bergabung dengan udara diatasnya. Tekanan akan naik dan akibatnya beberapa molekul uap akan kembali ke dalam zat cair dibawahnya. Pada suatu saat jumlah molekul zat cair yang masuk ke udara akan sama dengan jumlah molekul gas yang kembali ke zat cair, pada keadaan tersebut dicapai kondisi keseimbangan, dan udara di atas zat cair disebut jenuh dengan uap air. Dalam kondisi ini, tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair disebut tekanan uap jenuh.
Penguapan akan terjadi sampai tekanan di atas zat cair dibawah tekanan uap jenuh dan cair tersebut pada temperatur yang diberikan.
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Fluida adalah zat yang bisa mengalir,yang mempunyai partikel yang mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Tahanan fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil, sehingga fluida dapat dengan mudah mengikuti bentuk ruangan atau tempat yang membatasinya. Fluida dapat dibedakan menjadi 2 macam yaitu zat cair dan gas.
Zat cair mempunyai sifat-sifat seperti, Rapat massa , berat jenis dan rapat relatif, kekentalan zat cair, dan tekanan permukaan. Selain itu, ada juga kapilaritas yang memiliki manfaat seperti pada penerapan naiknya minyak tanah pada sumbu kompor sehingga kompor dapat menyala. Sedangkan peristiwa naiknya air pada musim hujan sehingga dinding rumah basah adalah salah satu peristiwa yang merugikan dari efek kapilaritas.
DAFTAR PUSTAKA
http://www.galeripustaka.com/2013/03/definisi-dan-ruang-lingkup-hidraulika.html
Diakses pada tanggal 25 Juni 2016 pukul 16.00
http://dokumen.tips/documents/sejarah-hidraulika.html
Diakses pada tanggal 25 Juni 2016 pukul 16.00
http://documents.tips/documents/sifat-sifat-zat-cair-hidrolika.html
Diakses pada tanggal 25 Juni 2016 pukul 16.00
