V RHEOLOGY ZAT CAIR DAN VISKOSITAS.ppt

RHEOLOGY ZAT CAIR DAN VISKOSITAS 1 Aliran zat cair Zat cair mengalir melalui suatu saluran tertutup (spt pipa) atau diantara dua bidang sejajar: Kec rendah  setiap lapis zat cair meluncur di atas atau di bawah lapisan yg lain  aliran laminer Kec tinggi  terbentuk “Eddy”/pusaran ~ cenderung membuat pencampuran lateral  aliran turbulen 2 Tegangan geser dan laju geser Gaya bekerja pd cairan  deformasi Deformasi pada zat cair disebut sbg aliran V V dV/dY F A Y Y (a) (b) (c) Tegangan geser dan laju geser pada cairan aGaya (F) dikenakan pd area permukaan cairan yg kontak dng bidang datar stasioner (A) bLap cairan lb atas bergerak dng kec (V), sementara lap yg kontak dng bidang datar tetap diam Lap lbh atas menarik lap dibawahnya dng kec sedikit berkurang, &lap ini akan menarik lap selanjutnya c  terbentuk gradien kecepatan dlm cairan ~ besarnya gradien kec tgt viskositas cairan Tegangan geser (shear stress)  = F/A satuan Nm-2 Laju geser (gradien kec)/shear rate = dv/dy, satuan = s-1 3 Zat cair Newtonian Zat cair Newtonian  mengikuti hukum viskositas Newton~ tegangan geser berbanding langsung dng gradien kecepatan pada aliran fluida laminer F Vx =  = viskositas zat alir A Y  Bila Y =0, maka  Yx =  dVx/dY Zat cair Newtonian  zat cair ideal~ ada hub linier ant tegangan geser & laju geser ~digambarkan dlm rheogram (kurva tegangan geser thd laju geser) sbg garis lurus yg melalui titik awal sumbu X –Y  A C B A&B = zat cair Newtonian C=zat cair Non-Newtonian dv/dy Rheogram zat cair a Viskositas Dinamis Viskositas dinamis : tegangan geser dibagi dengan laju geser (sudut arah garis lurus) simbol:  Zat cair Newtonian  viskositas dinamis tetap (tidak tergantung laju geser) GambarA&B sama-sama cairan Newtonian, namun viskositas A > B Satuan = Nsm-2 atau p (poise) bila  = 1 Nm-2 menghasilkan laju geser 1 s-1 Bila konsentrasi padatan   viskositas dinamis  ~ proses evaporasi  viskositas dinamis Susu mempunyai viskositas bervariasi, adanya homogenisasi   viskositan dinamis Viskositas sangat dipengaruhi oleh suhu, bila suhu naik maka viskositas meningkat Log  = B/T + C T =oK, B&C = konstanta cairan b Viskositas kinematis ()  = / satuan = Stoke (cm-2s-1)   c Viskositas relatif (r) Viskositas emulsi dan suspensi umumnya dibandingkan dng viskositas zat pelarut murni s s = viskositas suspensi r = = 1 + k  k = konstanta o o = viskositas pelarut  = fraksi volume fase dispersi 4 Perilaku Non-Newtonian Zat cair Non-Newtonian  tak ada hub linier ant tegangan geser dan laju geser Viskositas tgt kondisi percobaan yg dipilih  viskositasnya : viskositas kenampakan (apparent viscosity =a) ~ tegangan geser dibagi laju geser pd kondisi ttt Contoh zat cair Non-Newtonian: - larutan makromolekul : pati, protein - larutan koloidal : Mayyonise, pasta tomat Pseudoplastik Tak gayut waktu Dilatan Bingham & Casson plastic Non- Newtonian Gayut waktu Thiksotropik Rheopektik Tipe zat cair non-newtonian 41 Zat cair tak gayut waktu  D C B A A = dilatan B = pseudoplastis C = Bingham D = Casson Rheogram zat cair tak gayut waktu a Zat cair pseudoplastis dan dilatan a tak terpengaruh oleh geseran sebelumnya ~a pada laju geser ttt  a a2 a3 a1 dv/dy dv/dy a1 a2  a3 Rheogram zat cair pseudoplastis Jika data rheogram ditransformasikan ke a Vs dv/dy : - zat cair pseudoplastis pd laju geser lbh besar menjadi lebih encer (shear thinning behaviour) - zat cair dilatan dengan adanya laju geser lebih besar  lebih kental (shear thickening behaviour) Zat cair pseudoplastis lebih banyak dijumpai dibandingkan dengan zat cair dilatan (1) (2)  C A a B C A B dv/dy dv/dy Perbedaan viskositas & viskositas kenampakan A = Newtonian B = Pseudoplastis C = Dilatan 1  viskositas tertinggi : pseudoplastis terendah : dilatan 2  kebalikannya ~ pengukuran viskositas hrs pd berbagai /kisaran laju geser b Zat cair plastis Zat cair plastis mempunyai yield stress (o) dan viskositas plastis p Karakteristik zat cair plastis : - Pada  o bisa mengalir Zat cair jenis Bingham  ada hub linier antyield stress dan viskositas plastis  = o + p (dv/dy)n:1 Contoh zat cair jenis Bingham : margarin dan pasta coklat Zat cair jenis Casson  tidak ada hubungan linier dan grafiknya berbentuk parabola  = o + p (dv/dy) n 42 Zat cair gayut waktu (I) (II)  a A B A B dv/dy dv/dy Perbedaan zat tak cair gayut waktu (A) dan zat cair gayut waktu (B) A : zat cair tak gayut waktu (pseudoplastis/dilatan) ~ data  sama untuk semua dv/dy baik  maupun  B : zat cair gayut waktu~ data  tidak sama dv/dy naik dng dv/dy turun  pada dv/dy tertentu ada 2 kemungkinan a tergantung kapan waktu penerapannya (II)  hasil pengukuran viskositas pada kecepatan/laju geser konstan pada waktu (t) tertentu A : zat cair tak gayut waktu  a tetap B: zat cair gayut waktu  a berubah, umumnya turun sampai tercapai keseimbangan Zat cair thixotropik  menunjukkan pemecahan struktur bila geseran diteruskan ( contoh : krim), Bahan rheopektik  justru membangun struktur (contoh : whipping cream) Dalam pengukuran zat cair gayut waktu perlu kondisi tertentu dimana pengukuran sampel dilakukan secara tepat, terutama kondisi geseran dan lama laju geser 43 Persamaan hukum kepangkatan  persamaan hub tegangan geser dan laju geser, bersifat empiris, dapat digunakan untuk memprediksi perilaku zat cair bukan plastis  = k (dv/dy)n  = tegangan geser k = indeks konsistensi dv/dy = laju geser n = indeks hukum kepangkatan log  = log k + n log (dv/dy) k dan n dapat ditentukan dengan memplotkan data eksperimental baik dalam koordinat biasa maupun koordinat log-log log   103 102 10 intersep 1 0,1 Log dv/dy dv/dy Plot data rheologi secara logaritmik dlm kertas biasa & kertas log n = nilai gradien garis lurus k= nilai intersep tegangan geser pada laju geser 1 (log dv/dy)= 0 n dan k dapat untuk menentukan karakter cairan yang ditentukan secara eksperimen Viskositas kenampakan dapat dihitung pada beberapa laju geser dengan substitusi ke dlm persamaan atau dng mengkonstruksikan diagram tegangan geser – laju geser dari nilai n dan k  = k (dv/dy)n a =  / (dv/dy) = k (dv/dy) n-1 n = 1 zat cair newtonian, n < 1 zat cair pseudoplastis, n > 1 zat cair dilatan Untuk zat cair bersifat plastis  = k (dv/dy)n + o 5 Penetuan viskositas a Cara aliran streamline Zat cair mengalir sepanjang tabung datar,aliran: streamline /laminer~ ada hub ant penurunan tekanan & laju alir volumetrik mengikuti hukum Poisseuille p  D4 Q = Q =laju alir volumetric (m3/dtk) 128 L  (p1-p2) = penurunan tek (N/m2) D = diameter tabung (m) L = panjang tabung (m)  = viskositas dinamis (NS/m2) Penurunan tek diukur pd berbagai laju aliran  diplotkan dlm koordinat biasa atau log-log p logp B A A Q log Q Hub penurunan tek dng kec aliran A : hub linier, n =1,  aliran streamline, sifat zat cair: Newtonian B :tidak linier alirannya turbulen’ sifat zat cair: non-newtonian Cara sederhana penentuan viskositas : menggunakan tabung kapiler panjang Pipa kapiler panjang dng lubang kecil dihub dng ujung tabung penampung pd tinggi konstan Tinggi permukaan tabung penampung diatur  diperoleh variasi p didekati dng  g h Kec aliran diukur pada berbagai p  = (p/Q) x ( D4/128 L) p/Q merupakan gradien Cara lain presentasi data rheogram : dinyatakan dalam tegangan geser pd dinding (w) & laju geser pd dinding (dv/dy) w = p D / 4 L dv/dy = 32 Q / ( D4) atau 8V/D Diplotkan pada kertas log-log: n = 1  zat cair Newtonian n 1  zat cair non-newtonian Pada pelaksanaannya :bila menggunakan alat ini rumit dilakukan  sebaiknya menggunakan viskosimeter berputar b Viskometer aliran kapiler Umumnya : bentuk U ~ Bentuk paling sederhana :Oswald viskometer Cara operasional : Isikan cairan sampai A, dihisap sampai B Catat waktu yang diperlukan cairan turun dari B ke C waktu tsb X konstanta instrumentasi : viskositas kinematik Dasar : - waktu zat cair mengalir berbanding terbalik dengan  & berbanding langsung dengan  - waktu tergantung pada  dan   viskosimeter aliran kapiler membaca langsung viskositas kinematis Waktu sekitar 100 – 500 detik memberikan hasil yang akurat Cocok untuk mengukur viskositas air, pelarut organik, dan larutan encer Dpt untuk memonitor viskositas cairan selama pemanasan atau homogenisasi Tapi tidak bisa menentukan apakah zat cair termasuk Newtonian atau non-newtonian Ostwald viskosimeter ada yang tidak mempunyai kontanta instrumen  penentuan viskositasnya dilakukan dengan cairan yang diketahui viskositas kinematiknya c Viskometer bola jatuh bebas Pd Viskometer bola jatuh bebas benda dijatuhkan ke dlm cairan  menerima gaya ke bawah (gaya gravitasi) & ke atas (gaya viskus dan gaya tekan sebesar cairan yang dipindahkan benda) Pada keseimbangan gaya ke atas dan gaya ke bawah, maka benda bergerak pada kecepatan konstan / kecepatan terminal Bila alirannya streamline, benda berbentuk bola dengan diameter D, maka : Berat = Gaya viskus + Gaya tekan ke atas  D32 g  D31 g 6 DV = + 6 6 2 D2(2-1)g V = 18 v = kecepatan terminal (m/dt) d = diameter (m) 1 = kerapatan cairan (kg/m3) 2 = kerapatan bola (kg/m3)  = viskositas dinamis Biasanya bola mencapai kecepatan terminal di tengah tabung Bila waktu bola untuk jatuh diantara dua tempat diketahui (yg satu di sekitar tengah tabung & yg satu di dekat dasar tabung)  kec terminal dpt ditentukan  viskositas dapat dihitung Bila diameter bola mendekati diameter tabung  perlu koreksi pengaruh dinding Vo = V [1 + k (D/2R)] Vo = kecepatan terminal sebenarnya V = kecepatan terminal K = konstanta D = diameter bola R = jari-jari tabung Penentuan Vo dilakukan dengan bola yang sama, tetapi diameternya berbeda, kemudian kecepatan terminal yang diperoleh diplotkan dengan D/2R, pada saat D/2R = 0 adalah kecepatan terminal sebenarnya V (Kec Terminal) Vo   D/2R Vo : viskositas dinamis Viskometer bola jatuh bebas cocok untuk menentukan viskositas cairan viskus atau yang kecepatan terminalnya rendah Viskometer bola jatuh bebas sulit untuk menentukan apakah zat cair termasuk newtonian atau non-newtonian d Viskometer berputar Zat cair non-newtonian : pengukuran viskositas dilakuakn pada berbagai laju geser Bila zat cair terkena geseran  ada dua keadaan: - Aliran zat cair dalam pipa, laju gesernya merupakan fungsi dari kecepatan/diameter (V/D) - Pencampuran, laju geser sebanding dengan kecepatan berputar  memungkinkan untuk menghitung  pada setiap perubahan dv/dy ~ dapat mencirikan zat cair Viskometer berputar ada banyak jenisnya diantaranya viskosimeter silinder seporos, kerucut dan plat, dan batang tunggal (i) Viskometer silinder seporos Td : dua silinder dng celah sempit diantaranya Salah satu silinder (dpt yg dlm maupun yg luar) ditempelkan pada motor dan kecepatannya diatur Cairan diletakkan di celah, bila silinder diputar :  terbentuk gradien kecepatan, cairan memindahkan torsi ke silinder kedua dan menarik berputar,  gaya atau torsi yang digunakan silinder kedua dapat dihitung Zat cair dpt dicirikan dngtorsi (berhub dengan ) dan kecepatan sudut (berhub dengan dv/dy)  = 3 /(2R2h) dv/dy = 2R N / X  = torsi R = jari-jari silinder dalam H = tinggi silinder N = kecepatan berputar X = jarak silinder  sering diukur dengan defleksi sudut  dari pegas yang dikalibrasi (dengan tetapan pegas ks)  = ks  bila defleksi sudut diukur, tetapan pegas, kecepatan putaran dan geometri sistem diketahui   dan dv/dy diketahui, ~ viskositas dapat diketahui (ii) Viskometer kerucut dan plat Prinsip : viskometer silinder seporos Kerucut berputar pd kec ttt, cairan di celah ant kerucut dan plat akan menghantarkan torsi ke plat  = 3 /(2R3) dv/dy = 2R N / X R = jari-jari kerucut, X = lebar celah Viskometer ini mudah dioperasikan, mudah diisi dan sesuai untuk sampel yang jumlahnya sedikit ~ Perhatian : pada laju geser tinggi  cairan dilatan dengan viskositas rendah akan keluar dari celah (iii) Viskometer batang tunggal Prinsip : viskometer silinder seporos ~ tetapi diameter luar mendekati tak terhingga,  sering disebut infinite fluid viscometer Contoh : Brookfield viscometer ~ mudah digunakan, banyak digunakan di industri pangan Tak dapat menunjukkan laju geser yang tepat,  tidak dapat menyajikan data  - dv/dy Umumnya dapat dioperasikan pada 8 kecepatan berbeda  perlu trial dan eror untuk memilih batang & kecepatan berputar yg cocok untuk cairan tertentu ~ Hasil disajikan dlm bentuk a – kec berputar Agar hasil dapat diulang  nomor model, ukuran batang, kecepatan berputar dan suhu harus dicatat 6 Arti penting viskositas Pengolahan  viskositas dpt berubah cukup nyata ~ terutama proses yang melibatkan pemanasan, pendinginan dan homogenisasi Pengukuran viskositas penting dlm pengawasan mutu, terutama produk yg diharapkan mempuntai konsistensi ttt sehub dng kenampakan & mouth feel Fungsi pompa  suplai energi untuk mengatasi resistensi internal cairan dan resistensi friksional antara cairan dengan dinding pipa ~ Input energi dipengaruhi oleh tek yg diperlukan, kec alir volumetrik, viskositas cairan dan friksi Bila viskositas naik  friksi juga akan naik, ~ perlu energi lebih banyak 7 Viskositas susu dan produk susu Susu : sisitem koloidal Fase kontinyu mengandung laktosa, mineral, protein terlarut, dan vitamin larut dalam air, sedangkan fase dispresi mengandung globula lemak Komposisi dipengaruhi oleh spesies, musim dan lain-lain maka viskositasnya bervariasi Pengolahan  memperpanjang masa simpan atau untuk mengubah menjadi produk-produk susu  mengubah fase kontinyu dan fase dispersi, sehingga viskositas dinamis berubah pula Tabel Viskositas susu & produknya pd suhu 20 oC Homogenisasi  viskositas susu full cream naik sampai 15% Susu skim, susu full cream dan keju dievaporasi sampai kadar padatan memungkinkan untuk spray drying, konsentrasi akhir dipengaruhi oleh viskositas bahan Produk Viskositas Nsm-2 Susu (5% laktosa) Whey (5% laktosa) Susu konsentrat (total padatan 48%) Cream (20% lemak) 2,10 x 10-3 1,30 x 10-3 1000 x 10-3   6,1 x 10-6 8 Viskositas lemak dan minyak Minyak  umumnya mrpk zat cair Newtonian Tp pd laju geser tinggi  dpt menunjukkan perilaku pseudoplastis Viskositas bukan uji sifat fisik yg mencirikan minyak ~ tp viskositas minyak penting dalam pengolahannya Minyak berbeda  komposisi asam lemak berbeda  viskositasnya berbeda Asam lemak dengan rantai makin panjang, makin jenuh atau dihidrogenisasi  menaikkan viskositasnya 9 Viskositas hidrokoloid Hidrokoloid merupakan polimer terlarut atau terdispersi dalam air Biasanya ditambahkan ke formula makanan untuk menaikkan viskositas atau untuk memperoleh konsistensi seperti gel Hidrokoloid dalam bentuk larutan sangat encer biasanya bersifat Newtonian Bila konsentrasi ditingkatkan akan cepat menaikkan viskositas, sehingga sering terjadi transisi dari Newtonian ke non-newtonian Ada hidrokoloid yang mampu membentuk gel pada konsentrasi sangat rendah Tabel Beberapa hidrokoloid dapat dimodifikasi secara kimiawi/ensimatis untuk mengontrol aksi pengentalan dan terdapat dalam berbagai variasi grade Hidrokoloid Viskositas Larutan (cp) Suhu Konsentrasi transisi (%) 1% 5% Gum Arabic Gum ghatti Gum karaya 1,2 2,0 800 2,7 288 2 x104 30 30 25 40 - 0,5 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *