3/12/2013
Rheologi Rini Yulianingsih
Sifat-sifat rheologi didefinisikan sebagai sifat mekanik yang menghasilkan deformasi dan aliran bahan yang disebabkan karena adanya stress
Klasifikasi Rheologi
1
3/12/2013
ALIRAN BAHAN Hukum Newton - Viskositas
Fluid Model
Moveable Plate A=Area cm2
V=Velocity F = Force
A=Area cm2
Y= Distance
Stationary Plate
BrookFIELD
2
3/12/2013
• Data eksperimen gaya yang diperlukan untuk mempertahankan gerakan plat bagian bawah per unit luasan proporsional dengan gradien kecepatan, dan konstanta proposionalitas adalah viskositas fluida.
Bentuk mikroskopis persamaan ini hukum newton viskositas τyz = shear stress (N/m2), μ = viscosity (Pa·s), γ˙yz = shear rate (1/s). z menunjukkan arah gaya, y menyajikan arah normal terhadap permukaan dimana gaya bekerja
3
3/12/2013
APLIKASI Shear Stress pada fluida dihasilkan dari gaya yang di aplikasikan pada sistem (input torsi pompa atau mixer, gaya scraping pisau, atau gaya pengeluaran gravitasi pada tangki Consider… penyimpanan)
Shear Rate adalah gradien kecepatan (profil aliran kecepatan dalam pipa, wadah pengadukan atau permukaan yang menurun)
BrookFIELD
Contoh: Dua plat paralel terpisah 0.1 m. Plat bawah diam sementara bagian atas bergerak dengan kecepatan V. Fluida diantara plat adalah air yang memiliki viskositas 1 cp. a. Hitung fluks momentum yang diperlukan untuk mempertahankan gerakan plat atas pada kecepatan 0.30 m/s b. Jika air diganti dengan fluida dengan viskositas 100 cp, fluks momentum tetap konstan, temukan kecepatan baru plat atas
1 cp = 1 x 10-3 Pa.s
4
3/12/2013
Penyelesaian a. w = 1 cp = 1 x 10-3 Pa.s Hukum newton viskositas digunakan untuk menentukan shear stress
Viskositas • Definisi: Ketahanan fluida untuk mengalir • Satuan: Pa.s atau poise • Bervariasi terhadap suhu. Perbedaan pengaruh suhu terhadap viskositas berhubungan dengan perbedaan struktur molekul
Difusivitas Momentum / Viskositas Kinematik • Analogi : difusivitas thermal, difusivitas massa • Satuan : m2/s atau stoke (cm2/s) • Merupakan rasio viskositas terhadap densitas fluida
=/
5
3/12/2013
Fluida Viscous Bingham
Shear-Thinning Newtonian Shear-Thickening
1. Fluida Newtonian • Memenuhi hukum newton fluida • Slope antara shear stress vs shear rate (viskositas) konstan
2. Fluida Non-Newtonian • Tidak memenuhi hukum newton fluida • Fluida shear thinning atau shear thickening mengikuti persamaan Ostwald-de Waele
k : koefisien konsistensi (Pa.sn) n : indeks periaku aliran
6
3/12/2013
• • • •
Untuk fluida shear thinning (pseudoplastik) n < 1 Untuk fluida shear thickening (dilatant) n > 1 Fluida newtonian n = 1, k = Slope shear stress dan shear rate tidak konstan pada fluida non newtonian • apparent viscosity () atau kekonsistensian digunakan untuk fluida non-newtonian
7
3/12/2013
Fluida Shear Thinning (Pseudoplastik) • Peningkatan shear rate gesekan antar lapisan menurun • Geseran menyebabkan pelibatan, molekul rantai panjang menjadi lurus dan selaras mengikuti aliran viskositas menurun. • Contoh: Cat dan Tinta • Contoh produk : pisang murni, konsentrat jus buah
• Krokida, et,al (2001) : koefisien konsistensi k meningkat secara eksponensial sementara indeks perilaku aliran (n) sedikit menurun terhadap konsentrasi (n 0.5 untuk produk pulpy, n 1 untuk jus jernih)
8
3/12/2013
Fluida Shear-Thickening • Shear rate meningkat gesekan internal dan viskositas apparent meningkat • Analogi: – Orang yang jatuh dalam rawa akan mencoba untuk melepaskan diri sesegera mungkin – Bergerak dalam kepanikan geseran tiba-tiba – Semakin mencoba untuk melepaskan diri gaya yg diperlukan semakin besar
• Berjalan dalam pasir basah di pantai • Jika suspensi air-pasir ada untuk beberapa waktu fraksi kosong yg ditempati air minimal • Beberapa geseran akan menggangu di dekat bagian yg padat dan fraksi kosong meningkat. • Air tidak akan cukup mengisi ruang antara butiran pasir dan pelumasan yang kurang akan menyebabkan peningkatan ketahanan untuk mengalir • Contoh: Pati yang belum dimodifikasi (jagung, gandum, beras, kentang, dll)
9
3/12/2013
• VIDEO
3. Fluida Plastik 3.a. Fluida plastik Bingham • Fluida tetap rigid ketika shear stress sedikit lebih kecil dari yield stress (0), tetapi mengalir seperti fluida newtonian ketika shear stress melebihi 0 • Contoh: Pasta gigi, saos tomat, mayonnaise dan kecap
10
3/12/2013
3.b. Fluida Plastik Non-Bingham • Sama dengan bingham, namun shear stress vs shear rate tidak linier (bisa shear thinning atau shear thickening) yz = 0 + k(˙yz)n Model Herschel-Bulkley Contoh: Pasta daging ikan halus, pasta kismis (yz)0.5 = (0)0.5 + k(˙yz)0.5 Model Casson Contoh: Lelehan susu coklat
Ketergantungan waktu Ketika beberapa cairan dikenakan tegangan geser konstan, cairan tersebut menjadi lebih tipis (atau tebal) seiring dengan berjalannya waktu
11
3/12/2013
• Cairan yang menunjukkan penurunan tegangan geser dan viskositas apparent terhadap waktu pada tegangan geser tetap disebut cairan thixotropic (geseran menipis terhadap waktu). • Fenomena ini mungkin disebabkan oleh kerusakan pada struktur bahan sebagaimana geseran berlangsung terus. • Contoh: Gelatin, putih telur
• Perilaku Thixotropic mungkin reversibel, sebagian reversibel, atau irreversible ketika geseran yang diaplikasikan dipindahkan (fluida dalam kondisi istirahat). Thixotropy ireversibel disebut rheomalaxis atau rheodestruction
12
3/12/2013
• Perilaku Thixotropic produk bisa dipelajari dengan meningkatkan shear stress atau shear rate diikuti oleh penurunan. Jika shear stress diukur sebagai fungsi dari shear rate, sebagaimana nilai shear rate awalnya meningkat dan kemudian menurun, sebuah loop histeresis akan diamati dalam kurva shear stress terhadap shear rate
• Dalam fluida rheopectic (shear thickening terhadap waktu), shear stress dan viskositas apparent meningkatkan viskositas terhadap waktu, yaitu, struktur dibangun sebagaimana geseran berlangsung
Pasta pati – gula - susu Jika di proses pada suhu 85 and 95◦C thixotropic Jika diproses pada suhu 75◦C rheopectic
13
3/12/2013
Thank You
14
