Hukum Newton tentang viskositas

Viskositas selalu dikaitkan dengan kekentalan suatu fluida, memang tidak salah, tetapi viskositas ternyata memiliki makna yang lebih dari sekedar kekentalan suatu cairan. Untuk lebih memahami tentang viskositas, marilah kita lihat bagaimana hukum Newton bercerita tentang viskositas fluida.
pertama-tama kita bayangkan ada 2 buah lempeng pelat yang memiliki ukuran luas permukaan yang sama yaitu sebesar A dan terpisah pada jarak yang cukup dekat yaitu sebesar y. Di antara kedua lempeng pelat tersebut terdapat suatu jenis fluida (dapat berupa gas atau cairan). Lempang bagian bawah dapat bergerak ke arah sumbuh X, maka profil kecepatan pada fluida untuk t < 0, t = 0 dan t > 0 dapat digambar seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 1 distribusi kecepatan dalam lapisan fluida di antara 2 buah lempeng yang salah satu lempengnya bergerak

Perhatikan gambar 1. pada saat t < 0 detik, kita anggap kedua lempeng dalam posisi diam sempurna sehingga tidak ada profil kecepatan yang timbul pada lapisan fluida. Pada saat t = 0 detik, pada saat ini lempeng bawah mendapat gaya sebesar F sehingga lempeng bawah mulai mau bergerak dengan kecepatan konstan sebesar V m/s. Pada saat t > 0 (t sedikit lebih besar dari 0 detik), maka mulai timbul profil kecepatan pada lapisan fluida. Profil ini belum terbentuk sempurna dan steady. Pada saat t >> o detik, pada saat ini profil kecepatan sudah terbentuk sempurna dan steady. Pada saat terbentuk sempurna, terlihat profil kecepatan di dalam lapisan fluida ternyata linier. Besar gradien kecepatan akan proporsional dengan perbandingan F terhadap A atau dapat ditulis :

perbandingan ini memiliki suatu kontanta yang disebut viskositas () sehingga dapat ditulis menjadi :

F/A adalah tegangan geser yang diberikan kepada fluida atau dapat ditulis :  dan persamaan dapat ditulis ulang menjadi :

persamaan di atas menyatakan besarnya tegangan geser proporsional terhadap gradien kecepatan arah sumbuh Y. Persamaan ini dikenal sebagai hukum Newton untuk viskositas. Semua jenis gas dan banyak jenis zat cair yang memenuhi persamaan ini. Fluida yang mengikuti persamaan ini disebut fluida Newtonian.

Ada fluida Newtonnian pasti ada fluida yang membangkang yang tidak mengikuti persamaan ini . Fluida yang tidak mengikuti persamaan ini disebut fluida non-Newtonian.

Fluida Newtonian dan Non-Newtonian.

ini adalah 2 blok fluida yang ada di alam yaitu jenis blok fluida Newtonian yang memiliki viskositas yang konstan dan memenuhi hukum Newton tentang viskositas dan blok fluida non-newtonian yaitu jenis fluida yang memiliki viskositas yang tidak konstan dan tidak memenuhi hukum Newton.

Contoh fluida Newtonian banyak sekali di alam. Semua jenis gas di alam ini memenuhi Hukum Newton tentang viskositas sehingga semua jenis gas termasuk fluida Newtonian. Zat cair hampir semuanya termasuk fluida Newtonian, tetapi ada beberapa jenis zat cair yang tidak memenuhi kriteria ini.

Contoh fluida Non-Newtonian adalah darah. Pada saat darah mengalir keluar dari pembuluh darah, maka viskositasnya akan semakin bertambah seiring dengan bertambahnya waktu hingga darah membeku berubah fase menjadi zat padat. Fluida yang demikian tidak termasuk jenis fluida Newtonian karena viskositasnya tidak konstan. Contoh lain adalah tinner, Tinner atau zat pelarut cat ini mudah sekali menguap. Pada waktu tinner kita alirkan pada sebuah bidang, maka viskositasnya akan semakin berkurang.

fluida bukan hanya gas dan zat cair saja, tetapi zat padat dalam bentuk ukuran yang kecil dan dapat mengalir juga dapat dianggap sebagai fluida, contohnya seperti pasir dan lumpur. Namun pasir dan lumpur tidak termasuk fluida newtonian, tetapi tergolong fluida non-Newtonian.

fluida Non-Newtonian dapat digolongkan dalam 5 golongan besar yaitu :

1. Bingham fluid model

2. Ostwald-de Waele model

3. Eyring Model

4. Ellis Model

5. reiner-Philippoff Model

Bingham Fluid model

Persamaan tegangan geser fluida untuk Bingham Fluid model dapat dituliskan sebagai berikut :

dengan syarat :         jika : Jenis material yang mengikuti persamaan ini disebut Bingham Plastik. Contoh fluida Bingham Plastik antara lain :     ,     , dan

Ostwald De Waele Model

Persamaan tegangan geser fluida untuk Ostwald De Waele model adalah :

persamaan ini memiliki 2 parameter juga dikenal sebagai hukum daya (power Law). Untuk n = 1, maka persamaan akan direduksi menjadi persamaan hukum Newton untuk viskositas dengan m = . contoh fluida yang mengikuti persamaan Ostwald De Waele antara lain : campuran pulp kertas dengan air, campuran semen dengan air dan sebagainya.

Eyring Model

Persamaan tegangan geser fluida untuk fluida Erying model adalah sebagai berikut :

fluida yang mengikuti persamaan Erying model disebut fluida Pseudoplastik.

Ellis Model

Persamaan tegangan geser fluida untuk fluida Ellis model adalah sebagai berikut :

model ini memiliki 3 parameter yang dapat diatur yaitu , dan . Contoh Fluida yang memenuhi kriterial Ellis Model antara lain : Carbon Methil Cellulose (CMC) yang dilarutkan ke dalam air.

Reiner-Philoppoff Model

Persamaan tegangan geser fluida untuk fluida Reiner-Philippoff model sebagai berikut :

Contoh fluida yang mengikuti persamaan Reiner-Philippoff model adalah cairan belerang, 30,4% metanol dalan hexana, Cholesterol butirat dan Polistirene dalam tetralin.

jenis-jenis fluida ini dapat digambarkan dalam bentuk grafik tegangan geser terhadap gradien kecepatan sebagai berikut :

Gambar 2 perbandingan kurva tegangan geser dengan gradien kecepatan untuk macam-macam jenis fluida

OK, demikian dulu sedikit cerita dari Hukum Newton tentang viskositas fluida, semoga bermanfaat.