Fluida

Fluida adalah zat yang dapat mengalami perubahan bentuk secara kontinu bila terkena tegangan geser walaupun relatif kecil. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan dan jika dibagi dengan luas permukaan tersebut menjadi tegangan geser rata-rata pada permukaan itu. Atau zat yang secara permanen tidak dapat menahan gaya geser yang dikenakan terhadap zat tersebut.

Dalam keadaan diam atau dalam keadaan keseimbangan, fluida tidak mampu menahan gaya geser yang bekerja padanya, dan oleh sebab itu fluida mudah berubah bentuk tanpa pemisahan massa.


Fluida dapat terbagi menjadi dua macam, yaitu gas dan cairan yang mempunyai perbedaan sifat, yaitu :
Gas tidak mempunyai permukaan bebas dan massanya selalu berkembang mengisi seluruh ruangan, serta mampu dimampatkan (compressible).

Cairan mempunyai permukaan bebas, massanya akan mengisi volume ruangan tertentu sesuai dengan volumenya, serta tidak mampu dimampatkan (incompressibel).


Sifat - sifat Fisik Fluida :

1. Densitas  ρ = m/v
2. Specific Grafity  sg = densitas /  densitas air pada T dan P tertentu
3. Viskositas yaitu ketahanan suatu fluida  untuk mengalir atau berubah bentuk. F/A = -µ ((dυ/∆y))
4. Viskositas Kinematis (Centistoke)  V = µ/ρ

Statika Fluida

Tekanan rata - rata (P) = gaya F yang bekerja pada permukaan / luas pemukaan

dimana : F = m . a

Tekanan hidrostatik kolom cairan setinggi h dengan rapat massa ρ adalah P = ρ . g. h


Tegangan Permukaan
Penyebab timbulnya tegangan permukaan adalah gaya tarik antar molekul dalam zat cair. Tegangan permukaan untuk suatu permukaan air-udara adalah 0,073 N/m pada temperatur ruangan. Adanya tegangan permukaan tersebut menaikkan tekanan di dalam suatu tetesan cairan. Untuk suatu tetesan cairan dengan diameter D, tekanan interbal p diperlukan untuk mengimbangi gaya tarik karena tegangan permukaan σ, dihitung berdasarkan gaya yang bekerja pada suatu belahan tetesan cairan.

Kemampatan
cairan merupakan zat yang tidak termampatkan (incompressible). Namun perlu diperhatikan bahwa cairan dapat berubah bentuk karena tegangan  geser atau termampatkan oleh tekanan pada suatu volume cairan tersebut. Dengan demikian maka untuk kondisi-kondisi dimana terjadi perubahan tiba-tiba atau perubahan besar dalam tekanan maka kemampatan cairan menjadi penting. Kemampatan dinyatakan dengan harga K.


Harga K untuk air pada temperatur 20^oC adalah sekitar 2,18 x 10⁹N/m² pada tekanan atmosfer dan bertambah secara linier sampai sekitar 2,86 x 10⁹N/m³ pada suatu tekanan 1000 atmosfer jadi dalam kondisi pada temperatur 20^oC.

K = (2,18 x 10⁹ + 6,7 P) N/m²

dimana P adalah tekanan terukur (gage pressure) dalam N/m². Untuk keperluan praktis air dapat dipertimbangkan sebagai cairan tak termampatkan (incompressible fluid). Namun ada pengecualiannya, yaitu fenomena water hammer yang terjadi di dalam saluran tertutup apabila terjadi penutupan katub turbin secara tiba-tiba.

dimana :
K    = modulus elastisitas
dp  = penambahan tekanan
dV = pengurangan volume
V   = volume awal


Tanda (-) di dalam persamaan tersebut menunjukkan bahwa pertambahan tekanan mengurangi volume.
Karena dV/V tidak berdimensi maka : K dinyatakan dalam satuan dari tekanan p atau gaya tiap satuan luas. Apabila yang dipertimbangkan adalah satuan massa cairan, maka modulus elastisitas K dapat dinyatakan  dalam persamaan  :

Karena ρV = tetap dan d(ρV) = 0 atau dV/V = -dρ/ρ


Kapilaritas
Kapilaritas terjadi disebabkan oleh tegangan permukaan oleh gaya kohesi dan adhesi. hal ini dapat dilihat dari suatu pipa vertikal diameter kecil (pipa kapiler) yang dimasukkan  ke dalam  suatu cairan.


Keseimbangan tercapai apabila : 

Sehingga kenaikan kapilaritas dapat dihitung yaitu :

(Persamaan diatas berlaku untuk d < 3 mm)
dimana :
h = tinggi kenaikan kapilaritas (m)
σ = tegangan permukaan (N/m²)
ρ = kerapatan cairan (kg/m³)
g = gaya grafitasi (m/s²)
d = diameter pipa kapiler (m)
Ѳ = sudut antara tegangan permukaan dan dinding pipa vertikal


Tekanan
Tekanan fluida yaitu gaya fluida yang bekerja pada arah  tegak lurus pada satuan luas permukaan  P = F/A


Tekanan Uap
Salah satu cara untuk menjelaskan besarnya tekanan uap, diambil suatu pipa diamter kecil berisi cairan yang ditutup di salah satu ujungnya (tube). Ujung yang satu lagi terbuka dan dibenamkan di dalam suatu bak berisi cairan yang sama dengan cairan di dalam pipa, seperti pada gambar di bawah ini.

Tekanan atmosfer menahan menahan kolom cairan di dalam pipa, tetapi apabila pipa ditarik lebih tinggi, tekanan di ujung atas pipa menurun sampai di bawah tekanan uap. Dalam hal ini cairan akan melepaskan diri dari ujung pipa. Dengan tekanan pada permukaan dasar pipa sama dengan tekanan atmosfer, Keseimbangan gaya dapat digunakan untuk menunjukkan hubungan antara tekanan uap, tekanan atmosfer dan panjang dari kolom cairan :

P_u A = P_atm Aγ(hA)

dimana :

P_u     = tekanan uap dalam Pa (Pascal)

P_atm = tekanan atmosfer

A       = luas penampang pipa

γ       = berat jenis cairan

Gaya, Massa dan Berat
Gaya adalah dorongan / pendorong yang dapat menyebabkan benda bergerak dari suatu tempat ketempat lainnya.
Massa adalah ukuran jumlah suatu materi.
Berat adalah gaya yang disebabkan oleh gaya grafitasi
dimana :
Percepata Grafitasi = gc = 32,174  lbm . ft/lbf . s²  (faktor konversi)

digunakan  untuk mengganti lbm menjadi lbm
jadi percepatan grafitasi = g = 32,174  ft/s²


Contoh :
Sebuah benda dengan berat 200 lbf berada disuatu tempat dibumi yang mempunyai percepatan grafitasi sebesar 32,2 ft/s² . Berapakah berat benda tersebut dipermukaan bulan yang memiliki percepatan grafitasi 5,47 ft/s²  
Jawab :
F = (m. g)/gc
m = (F . gc)/g = (200 x 32,174)/32,2 = 199,84 lb


F = (m . g)/gc = (199,84 x 5,47)/32,174 = 33,97 lbf


Tekanan Relatif (Gage/Gaoge)
Tekanan Relatif adalah tekanan didalam sistem tersebut, dengan tidak menyertakan besarnya tekanan atmosfer. 

P absolut = P gage + P atmosfer


Aliran Fluida
Aliran terbagi menjadi dua yaitu aliran laminer (aliran berlapis) dan aliran turbulen (aliran bergolak)
Aliran laminer : aliran lambat, ρ rendah, viskositas tinggi dan profil aliran berbentuk parabola.

Aliran turbulen : terjadi pencampuran fluida dalam suatu penampang akibat adanya pusaran dalam aliran, hal ini menyebabkan profil aliran menjadi datar.

Bilangan Renold (NRe)
Jenis aliran yang merupakan fungsi dari :

• Kecepatan alir fluida (υ)
• Viskositas (µ)
• Rapat Massa (ρ)
• Diameter pipa (D)

NRe = (ρ . υ . D)/µ   tak berdimensi


NRe < 2100 (laminer)
NRe >4000 (turbulen)


Kehilangan Energi karena Gesekan dipengaruhi oleh :
Sifat fluida (viskositas).
Sifat aliran (laminer/turbulen).
Sistem pipa.


Alat Ukur Fluida :

Tabung pitot

Venturi meter

Oriffice

Pemberian energi mekanis dengan meggunakan pompa, fan, blower, kompresor pada fluida untuk :

1. Menambah tekanan
2. Menambah kecepatan
3. Menambah tinggi posisi

Karakteristik Operasi yang penting untuk diperhatikan :

• Kapasitas
• Kebutuhan daya
• Efisiensi
• Reliability dan Maintenance

Kromatografi

Kromatografi adalah suatu teknik pemisahan molekul berdasarkan perbedaan pola pergerakan antara fase gerak dan fase diam untuk memisahkan komponen (berupa molekul) yang berada pada larutan. Molekul yang terlarut dalam fase gerak, akan melewati kolom yang merupakan fase diam. Molekul yang memiliki ikatan yang kuat dengan kolom akan cenderung bergerak lebih lambat dibanding molekul yang berikatan lemah. Dengan ini, berbagai macam tipe molekul dapat dipisahkan berdasarkan pergerakan pada kolom.

Setelah komponen terelusi dari kolom, komponen tersebut dapat dianalisa dengan menggunakan detektor atau dapat dikumpulkan untuk analisa lebih lanjut. Beberapa alat-alat analitik dapat digabungkan dengan metode pemisahan untuk analisis secara on-line (on-line analysis) seperti: penggabungan kromatografi gas (gas chromatography) dan kromatografi cair (liquid chromatography) dengan mass spectrometry (GC-MS dan LC-MS), Fourier-transform infrared spectroscopy (GC-FTIR), dan diode-array UV-VIS (HPLC-UV-VIS).

Kromatografi adalah metode analis yang banyak digunakan untuk :

- Pemisahan

- Identifikasi

- Menentukan komponen-komponen kimia dalam campuran

Komponen utama kromatografi adalah fasa stationer (diam) dan fasa mobil (gerak) dan kromatografi dibagi menjadi beberapa jenis bergantung pada jenis fasa mobil dan mekanisme pemisahannya.

dimana :
Elvent adalah pelarut yang digunakan dalam kromatografi untuk memisahkan atau membawa komponen-komponen dari campuran fasa stasioner.

Klasifikasi kromatografi

Pemisahan yang baik untuk metode kromatografi : sample / adsorben = 1/3

Beberapa contoh kromatografi yang sering digunakan di laboratorium adalah :
Kromatografi partisi

Prinsip kromatografi partisi dapat dijelaskan dengan hukum partisi yang dapat diterapkan pada sistem multikomponen yang dibahas di bagian sebelumnya. Dalam kromatografi partisi, ekstraksi terjadi berulang dalam satu kali proses. Dalam percobaan, zat terlarut didistribusikan antara fasa stationer dan fasa mobil. Fasa stationer dalam banyak kasus pelarut diadsorbsi pada adsorben dan fasa mobil adalah molekul pelarut yang mengisi ruang antar partikel yang ter adsorbsi.


Contoh khas kromatografi partisi adalah kromatografi kolom yang digunakan luas, karena sangat efisien untuk pemisahan senyawa organik.

Kolomnya (tabung gela) diisi dengan bahan seperti alumina, silika gel atau pati yang dicampur dengan adsorben, dan pastanya diisikan kedalam kolom. Larutan sampel kemudian diisikan kedalam kolom dari atas sehingga sampel diadsorbsi oleh adsorben. Kemudian pelarut (fasa mobil; pembawa) ditambahkan tetes demi tetes dari atas kolom.


Partisi zat terlarut berlangsung di pelarut yang turun ke bawah (fasa mobil) dan pelarut yang teradsorbsi oleh adsorben (fasa stationer). Selama perjalanan turun, zat terlarut akan mengalami proses adsorpsi dan partisi berulang-ulang. Laju penurunan berbeda untuk masing-masing zat terlarut dan bergantung pada koefisien partisi masing-masing zat terlarut. Akhirnya, zat terlarut akan terpisahkan membentuk beberapa lapisan.


Akhirnya, masing-masing lapisan dielusi dengan pelarut yang cocok untuk memberikan spesimen murninya. Nilai R didefinisikan untuk tiap zat terlarut dengan persamaan berikut :

Kromatografi kertas
Mekanisme pemisahan dengan kromatografi kertas prinsipnya sama dengan mekanisme pada kromatografi kolom. Adsorben dalam kromatografi kertas adalah kertas saring, yakni selulosa. Sampel yang akan dianalisis ditotolkan ke ujung kertas yang kemudian digantung dalam wadah. Kemudian dasar kertas saring dicelupkan kedalam pelarut yang mengisi dasar wadah. Fasa mobil (pelarut) dapat saja beragam. Air, etanol, asam asetat atau campuran zat-zat ini dapat digunakan.


Kromatografi kertas diterapkan untuk analisis campuran asam amino dengan sukses besar. Karena asam amino memiliki sifat yang sangat mirip, dan asam-asam amino larut dalam air dan tidak mudah menguap (tidak mungkin didistilasi), pemisahan asam amino adalah masalah paling sukar yang dihadapi kimiawan di akhir abad 19 dan awal abad 20. Jadi penemuan kromatografi kertas merupakan berita sangat baik bagi mereka.


Kimiawan Inggris Richard Laurence Millington Synge (1914-1994) adalah orang pertama yang menggunakan metoda analisis asam amino dengan kromatografi kertas. Saat campuran asam amino menaiki lembaran kertas secara vertikal karena ada fenomena kapiler, partisi asam amino antara fasa mobil dan fasa diam (air) yang teradsorbsi pada selulosa berlangsung berulang-ulang. Ketika pelarut mencapai ujung atas kertas proses dihentikan. Setiap asam amino bergerak dari titik awal sepanjang jarak tertentu. Dari nilai R, masing-masing asam amino diidentifikasi.


Kromatografi kertas dua-dimensi (2D) menggunakan kertas yang luas bukan lembaran kecil, dan sampelnya diproses secara dua dimensi dengan dua pelarut.

Kromatografi gas
Campuran gas dapat dipisahkan dengan kromatografi gas. Fasa stationer dapat berupa padatan (kromatografi gas-padat) atau cairan (kromatografi gas-cair).


Umumnya, untuk kromatografi gas-padat, sejumlah kecil padatan inert misalnya karbon teraktivasi, alumina teraktivasi, silika gel atau saringan molekular diisikan ke dalam tabung logam gulung yang panjang (2-10 m) dan tipis. Fasa mobil adalah gas semacam hidrogen, nitrogen atau argon dan disebut gas pembawa. Pemisahan gas bertitik didih rendah seperti oksigen, karbon monoksida dan karbon dioksida dimungkinkan dengan teknik ini.


Dalam kasus kromatografi gas-cair, ester seperti ftalil dodesilsulfat yang diadsorbsi di permukaan alumina teraktivasi, silika gel atau penyaring molekular, digunakan sebagai fasa diam dan diisikan ke dalam kolom. Campuran senyawa yang mudah menguap dicampur dengan gas pembawa disuntikkan ke dalam kolom, dan setiap senyawa akan dipartisi antara fasa gas (mobil) dan fasa cair (diam) mengikuti hukum partisi. Senyawa yang kurang larut dalam fasa diam akan keluar lebih dahulu.


Metoda ini khususnya sangat baik untuk analisis senyawa organik yang mudah menguap seperti hidrokarbon dan ester. Analisis minyak mentah dan minyak atsiri dalam buah telah dengan sukses dilakukan dengan teknik ini.

Efisiensi pemisahan ditentukan dengan besarnya interaksi antara sampel dan cairannya. Disarankan untuk mencoba fasa cair standar yang diketahui efektif untuk berbagai senyawa. Berdasarkan hasil ini, cairan yang lebih khusus kemudian dapat dipilih. Metoda deteksinya, akan mempengaruhi kesensitifan teknik ini. Metoda yang dipilih akan bergantung apakah tujuannya analisik atau preparatif.


HPLC (high precision liquid chromatography atau high performance liquid chromatography)
Akhir-akhir ini, untuk pemurnian (misalnya untuk keperluan sintesis) senyawa organik skala besar, HPLC (high precision liquid chromatography atau high performance liquid chromatography) secara ekstensif digunakan. Bila zat melarut dengan pelarut yang cocok, zat tersebut dapat dianalisis. Ciri teknik ini adalah penggunaan tekanan tinggi untuk mengirim fasa mobil kedalam kolom. Dengan memberikan tekanan tinggi, laju dan efisiensi pemisahan dapat ditingkatkan dengan besar.


Silika gel atau oktadesilsilan yang terikat pada silika gel digunakan sebagai fasa stationer. Fasa stationer cair tidak populer. Kolom yang digunakan untuk HPLC lebih pendek daripada kolom yang digunakan untuk kromatografi gas. Sebagian besar kolom lebih pendek dari 1 m.

Kromatografi penukar ion menggunakan bahan penukar ion sebagai fasa diam dan telah berhasil digunakan untuk analisis kation, anion dan ion organik.

Gravimetri

Dalam analisis kuantitatif selalu memfokuskan pada jumlah atau kuantitas dari sebuah sampel, pengukuran sampel dapat dilakukan dengan menghitung berat zat, menghitung volume atau menghitung konsentrasi. Gravimetri merupakan penetapan kuantitas atau jumlah sampel melalui penghitungan berat zat. Sehingga dalam gravimetri produk harus selalu dalam bentuk padatan (solid). 

Analisis gravimetri adalah proses isolasi dan pengukuran berat suatu unsur atau senyawa tertentu. Bagian terbesar dari penentuan secara analisis gravimetri meliputi transformasi unsur atau radikal kesenyawa murni stabil yang dapat segera diubah menjadi bentuk yang dapat ditimbang dengan teliti. Metode gravimetri memakan waktu yang cukup lama, adanya pengotor pada konstituen dapat diuji dan bila perlu faktor-faktor koreksi dapat digunakan (Khopkar,1990).

Alat utama dalam gravimetri adalah timbangan dengan tingkat ketelitian yang baik. Umumnya reaksi kimia tidak dalam ukuran besar seperti kilogram, namun dalam satuan yang lebih kecil seperti gram dan mili gram. Timbangan yang dipergunakan memiliki ketelitian yang tinggi atau kepekaan yang tinggi dan disebut dengan neraca analitik atau analytical balance.

Dalam melakukan analisis dengan teknik gravimetrik, kemudahan atau kesukaran dari suatu zat untuk membentuk endapan dapat diketahui dengan melihat kelarutannya atau melihat harga dari hasil kali kelarutan yaitu Ksp. Jika harga Ksp suatu zat kecil maka kita dapat mengetahui bahwa zat tersebut sangat mudah membentuk endapan. Ingat definisi kelarutan; kelarutan suatu zat dalam suatu pelarut adalah jumlah zat tersebut sebanyak-banyaknya yang dapat larut dalam pelarut pada suhu tertentu sehingga larutan tepat jenuh.

Dalam reaksi pembentukan endapan, dimana endapan merupakan sampel yang akan kita analisis, maka dengan cermat kita dapat memisahkan endapan dari dari zat-zat lain yang juga turut mengendap. Proses ini cukup sulit dilakukan, namun cara yang paling umum adalah mengoksidasi beberapa zat yang mungkin mengganggu sebelum reaksi pengendapan dilakukan.

Proses pembentukan endapan

Dalam reaksi pembentukan endapan, dimana endapan merupakan sampel yang akan kita analisis, maka dengan cermat kita dapat memisahkan endapan dari zat-zat lain yang juga turut mengendap. Proses ini cukup sulit dilakukan, namun cara yang paling umum adalah mengoksidasi beberapa zat yang mungkin mengganggu sebelum reaksi pengendapan dilakukan.

Efek kejenuhan relatif pada ukuran partikel yaitu pembentukan inti dan pertambahan partikel. Pembentukan inti ini, ion-ion bergabung membentuk padatan. Seringkali inti-inti ini terbentuk dipermukaan pengotor. Jika penambahan inti lebih diutamakan, maka jumlah partikelnya besar.

Sifat Endapan

Endapan yang terbentuk merupakan mekanisme dari pertumbuhan inti. Cara mengontrol ukuran partikel yaitu dengan memperkecil lewat jenuh dengan cara menambahkan atau menaikkan suhu, memperbesar kelarutan, larutan harus encer, ukuran partikel kecil, penambahan pereaksi dari pengendapan harus perlahan-lahan. Untuk larutan yang bersifa koloid seperti Al(OH)₃ ; Cl(OH)₃ dan lain-lain pembentukan endapan bergantung pada pH.

Suspensi Koloid

Jika larutan berupa suspensi koloid, seringkali stabil untuk beberapa saat dan tidak dapat disaring, untuk mengurangi kestabilan ini diusahakan dengan pemanasan, pengadukan dan penambahan elektrolit.

Koagulasi dari Koloid

Suspensi koloid yang stabil dapat bermuatan (-) ataupun (+), muaan ini terjadi pada anion dan kation yang terikat atau tertarik pada permukaan partikel.

Pencucian endapan merupakan tahap selanjutnya, proses pencucian umumnya dilakukan dengan menyaring endapan, yang dilanjutkan dengan membilasnya dengan air. Tahap akhir dari proses ini adalah memurnikan endapan, dengan cara menguapkan zat pelarut atau air yang masih ada didalam sampel, pemanasan atau mengeringkan dalam oven lazim dilakukan. Akhirnya penimbangan sampel dapat dilakukan dan hasil penimbangan adalah kuantitas sampel yang dianalisis.

Analisis Gravimetri dapat berlangsung baik , jika persyaratan berikut dapat terpenuhi :

1. Komponen yang ditentukan harus dapat mengendap secara sempurna (sisa analit yang tertinggal dalam larutan harus cukup kecil, sehingga dapat diabaikan), endapan yang dihasilkan stabil dan sukar larut.
2. Endapan yang terbentuk harus dapat dipisahkan dengan mudah dari larutannya (dengan penyaringan).
3. Endapan yang ditimbang harus mempunyai susunan stoikiometrik tertentu (dapat diubah menjadi sistem senyawa tertentu) dan harus bersifat murni atau dapat dimurnikan lebih lanjut (Vogel,1990).

Kesalahan dalam gravimetri dibagi menjadi dua yaitu :

- Endapan yang tidak sempurna dari ion yang diinginkan dalam cuplikan.

- Gagal memperoleh endapan murni dengan komposisi tertentu untuk penimbangan.

Faktor-faktor penyebabnya adalah :

- Peptisasi

- Kopresipitasi dari ion-ion pengotor.

- Postpresipitasi zat yang agak larut.

- Kurang sempurna pencucian.

- Kurang sempurna pemijaran.

- Pemijaran berlebih sehingga sebagian endapan mengurai.

- Reduksi dari karbon pada kertas saring.

- Tidak sempurna pembakaran.

- Penyerapan air atau karbondioksida oleh endapan (Underwood,1986).

dimana :

Peptisasi adalah proses dimana koloid yang menggumpal atau mengkoagulasi larut kembali menjadi partikel-partikel dalam keadaan terdispersi. Untuk menghindari peptisasi, air yang ditambahkan adalah air elektrolit. Elektrolitnya yaitu elektrolit yang mudah hilang dalam pemanasan biasanya asam nitrat encer.

Kopresipitasi adalah proses dimana biasanya komponen-komponen dari larutan terbawa oleh endapan atau ikut mengendap.

Postpresipitasi adalah pengotor akan menempel pada permukaan endapan dan harus cepat dipisahkan dengan cara dekantasi.

Cara memperkecil proses dekantasi

1. Metode penambahan kedua pereaksi. Cara ini digunakan untuk mengontrol konsentrasi pengotor dan muatan listrik yang ada sebagai partikel primer (lompatan listrik primer).
2. Pencucian. dengan endapan yang menggumpal atau berupa gelatin, pada pencucian harus memakai elektrolit (HNO₃ encer).
3. Daeges. (pengendapan diatas suhu penangas air)
4. Jika terjadi peptisasi, dilakukan pengendapan ulang, terutama untuk logam-logam analida atau endapan dari asam lemah.