Definisi dan Sifat Fluida

TKS 4005 – HIDROLIKA DASAR / 2 sks

Definisi dan Sifat Fluida Ir. Suroso, M.Eng., Dipl.HE Dr. Eng. Alwafi Pujiraharjo

Civil Engineering Department University of Brawijaya

Civil

Apakah Fluida itu?

Engineering

 Bandingkan antara zat padat dan fluida?  Zat padat: dapat melawan gaya geser dengan deformasi. Tegangan sebanding dengan regangan  Fluida: terus mengalami deformasi akibat gaya geser. Tegangan sebanding dengan laju regangan Solid

F t   A

Fluid

t

F V m A h 2

Apakah Fluida itu?

Civil

Engineering

 Bandingkan Zat Cair dan Gas

Free Surface

 Zat Cair: menyesuaikan bentuk mengembang

Zat cair

tempat sesuai volumenya, gaya kohesif kuat, volume tetap, dan membentuk permukaan bebas karena adanya gaya berat

 Gas: memenuhi ruangan, gaya Gas

kohesif lemah, bebas mengembang, dan tidak dapat membentuk permukaan bebas

 Gas dan uap sering dipakai sebagai kata padanan 3

Fluida Umum

Civil

Engineering

 Zat cair:  air, minyak, air raksa, gasoline, alkohol  Gas:  udara, helium, hidrogen, uap  Batas:  jelly, aspal, pasta gigi, cat

4

Sifat-sifat Zat Cair

Civil

Engineering

 Bila ruangan > volume zat cair terbentuk permukaan bebas yang berhubungan dengan atmosfer.  Mempunyai rapat massa dan berat jenis  Kompresibilitas Rendah  Tidak termampatkan (incompressible).  Mempunyai viskositas (kekentalan)  Mempunyai kohesi, adhesi, dan tegangan permukaan. 5

Sifat-sifat Fluida

Civil

Engineering

 Rapat Massa (density)  Berat Jenis (specific gravity)  Kekentalan (viscosity)  Kemampatan (compressibility)  Sifat yang dominan/memegang peranan pada cairan : Diam

: berat jenis

Mengalir : kerapatan, viskositas. 6

Rapat Massa/Kerapatan (Density), 

Civil

Engineering

 Rapat Massa : massa zat cair tiap satuan volume pada temperatur dan tekanan tertentu.

m  V dimana: m = massa (kg) V = volume (m3)  = rapat massa (kg/m3) 7

Specific Volume

Civil

Engineering

 Specific Volume Vs is defined as the volume per unit mass.

V 1 Vs   m 

8

Berat Jenis (Specific Weight), 

Civil

Engineering

 Berat: W = m g  Berat Jenis (Specific Weight) : berat per satuan volume pada temperatur dan tekanan tertentu.

W m      g  g V V 

9

Specific Gravity

Civil

Engineering

 Specific Gravity: perbandingan berat zat dengan berat air pada volume dan temperatur yang sama.

  S .G.   w  w

10

Specific Volume

Civil

Engineering

 Specific Volume: volume zat cair per satuan berat. Ini kebalikan dari specific weight. Satuan dalam metrik m3/kgf, dalam SI m3/N.

11

Contoh Soal 2.1

Civil

Engineering

If 1 m3 of oil has a mass of 860 kg, calculate its specific weight, density, and specific gravity.

Solution m density     860 kg / m3 V W m 860 specific weight     g  9.81  8436.6 N / m3 V V 1  oil 8436.6 S .G.    0.86 w 9810 12

Contoh Soal 2.2

Civil

Engineering

A container weights 5000 lb when filled with 6 ft3 of a certain liquid. The empty weight of the container is 500 lb. What is the density of the liquid? Solution: The net weight of the liquid = 5000 -500 = 4500 lb

W 4500 3    750 lb / ft V 6  750 3    23.3 slugs / ft g 32.2 13

Civil

Kemampatan Zat Cair (Compressibility) Engineering  Definisi: perubahan volume karena perubahan tekanan.  Kemampatan dinyatakan dalam modulus elastisitas K (bulk modulus of elasticity)

dp K  dV / V  Harga K untuk zat cair sangat besar sehingga perubahan volume karena perubahan tekanan sangat kecil, oleh karena itu perubahan volume diabaikan dan zat cair dinggap tak termampatkan (incompressible)  Untuk air tawar K = 2068 MN/m2. 14

Kekentalan (Viscosity)

Civil

Engineering

 Untuk mendapatkan hubungan kekentalan, ditinjau lapisan fluida antara dua plat sejajar yang sangat luas dengan jarak ℓ  Definisi tegangan geser: t = F/A.  Menggunakan kondisi tidak-slip, u(0) = 0 dan u(ℓ) = v, profil kecepatan dan gradien adalah u(y)= vy/ℓ dan du/dy=v/ℓ  Tegangan geser untuk Newtonian fluid: t = mdu/dy  m adalah kekentalan dinamis (dynamic viscosity) dan mempunyai satuan kg/m·s, Pa·s, atau poise. 15

Kekentalan (Viscosity)

Civil

Engineering

 Gas Vs Liquid

16

Hubungan Tegangan Geser-Gradien Kecepatan

Civil

Engineering

17

Civil

Tegangan Permukaan (Surface Tension) Engineering  Di bawah permukaan, gaya-gaya bekerja sama dalam semua arah  Pada permukaan, beberapa gaya tidak ada, menarik molekul ke bawah dan bersama-sama, seperti membran ditarik pada permukaannya  Jika pertemuan (interface) lengkung, tekanan lebih tinggi akan berada pada sisi cekung  Kenaikan tekanan diimbangi oleh tegangan permukaan,  

Interface

water

air Net force inward

No net force

 = 0.073 N/m (@ 20oC) 18

Civil

Kapilaritas

Engineering

 Kapilaritas disebabkan oleh gaya kohesi dan adhesi.  Jika kohesi lebih kecil dari adhesi maka zat cair akan naik, jika kohesi lebih besar dari adhesi maka zat cair akan turun.  Kenaikan atau penurunan kapiler dapat dihitung dengan menyamakan gaya angkat yang dibentuk oleh tegangan permukaan dengan gaya berat.  Kenaikan kapiler: 

2 cos  h r

dimana : σ = tegangan permukaan  = berat jenis zat cair r = jari-jari tabung

19

Efek Kapiler

Civil

Engineering

 Efek kapiler adalah naik atau turunnya zat cair dalam tabung diameter kecil.  Permukaan bebas lengkung dalam tabung disebut meniscus.  Sudut kontak , didefinisikan sebagai sudut yang dibuat menyinggung permukaan zat cair dan permukaan tabung pada titik kontak.  Air: meniscus melengkung ke atas karena air zat cair yang membasahi/wetting ( < 90°,hydrophilic).  Air raksa: meniscus melengkung ke bawah karena air raksa tidak membasahi/ nonwetting ( > 90°,hydrophobic). 20

Civil

Kenaikan Air Kapiler

Engineering

 Keseimbangan gaya dapat menjelaskan besarnya kenaikan kapiler.

W  m g  V g  g  R 2 h  W  Fsurface  g  R 2 h   2 R s cos   Sehingga Kenaikan Kapiler:

2s cos  h g R 21